Авиация, космонавтика, атомные электростанции и масштабные физические установки, такие как ускорители, функционируют в самых жестких условиях. Применение композитных материалов для создания несущих конструкций и оборудования позволяет значительно снизить их массу без потери прочности.
Сравнительные испытания в стенах ИЯФ СО РАН
Специалисты ИЯФ СО РАН провели важнейшие исследования радиационной стойкости. Они сравнили широко распространенную эпоксидную смолу с передовым олигоциануратным (цианат-эфирным) связующим, а также композитными материалами на его основе. Произведенные в ООО "Синтез-проект" (входящем в ГК НИИКАМ), эти инновационные материалы показали ошеломительный результат! Их радиационная стойкость оказалась в 4–5 раз выше по сравнению с эпоксидными смолами, традиционно применяемыми в электроизоляции фокусирующих, корректирующих и отклоняющих магнитов ускорительных комплексов.
Непревзойденное лидерство углепластиков и роль связующего
Космическая техника испытывает невероятные нагрузки: сверхвысокий вакуум, мощную радиацию, огромные температурные перепады. Ее материалы должны обладать исключительной прочностью, чтобы выдержать нагрузки при запуске. Здесь углепластики – безоговорочные лидеры по удельному весу, прочности и жесткости. Их секрет – комбинация армирующих углеродных волокон и полимерной матрицы (связующего). Если за прочность на разрыв отвечает преимущественно углеволокно, то связующее критически важно для устойчивости к сжатию и сдвигу. Именно качество связующего определяет уровень материала.
Цианат-эфирное связующее: российское будущее
Последние годы цианат-эфирное связующее гарантировало углепластикам лучшие характеристики. Однако высокотехнологичные полимеры такого типа, выпускающиеся в США и Великобритании и широко используемые в зарубежной космической индустрии, перестали завозиться в Россию. Это подчеркивает огромное значение достижений НИИКАМ и Синтез-проекта в создании отечественного связующего с превосходными радиационными характеристиками.
Цианат-эфирные связующие: прорыв в материалах для космоса
«Цианат-эфирные связующие сегодня по праву считаются одним из самых перспективных вариантов для композитов, — подчеркивает Илья Вихров, директор «Синтез-проект», кандидат химических наук, научный сотрудник НИИКАМ. — Этот инновационный класс полимеров предлагает выдающиеся преимущества, превосходя по жесткости и устойчивости к трещинообразованию традиционные эпоксидные смолы. С большим воодушевлением сообщаем, что «Синтез-проект» освоил разработку и запустил производство собственного олигоциануратного связующего специально для космических композитов».
Надежность на орбите: ключевая роль радиационных испытаний
Долговечность космических аппаратов напрямую зависит от радиационной стойкости их материалов. Для обеспечения безупречной работы на орбите перед специалистами «Синтез-проект» стояла важная задача: определить предельную дозу радиации, после воздействия которой их уникальное цианат-эфирное связующее и созданные на его основе композиты сохранят рабочие характеристики. Проведение таких ответственных исследований, требующих сверхвысоких доз излучения, стало возможным благодаря партнерству с ИЯФ СО РАН — одним из немногих в нашей стране институтов, обладающих необходимым технологическим комплексом.
Успешные испытания в сибирском центре науки
«В Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН накоплен огромный опыт работы. Десятилетия наши исследователи используют электронный ускоритель ИЛУ-6 для изучения радиационных технологий и оценки стойкости новейших материалов, — рассказывает Михаил Коробейников, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН. — С большим удовлетворением мы провели испытания четырех типов образцов: классической эпоксидной смолы, перспективного цианат-эфирного связующего, а также стеклопластика и углепластика на его основе. Образцы подвергались воздействию возрастающих доз радиации: 10, 20, 50, 100, 200 и рекордных 500 МГр. Достижение максимальной дозы потребовало непрерывной работы ускорителя в течение месяца. Важно отметить, что температура образцов надежно контролировалась и не поднималась выше 55°С, а их стандартные размеры 10х50х2 мм обеспечили точность замеров механических свойств после облучения».
Уникальные свойства цианат-эфирных композитов
Параметры упругости и прочности материалов при статическом изгибе оценивались по стандартным методикам после дозированного облучения. Эпоксидные связующие демонстрируют снижение остаточной прочности до 80% всего после 50 МГр, после чего их характеристики резко ухудшаются. Разработанные российским предприятием олигоциануратные связующие сохраняют стабильность до 200 МГр, а при этой дозе прочность составляет около 60% от исходной.
Рекордные показатели устойчивости
Цианат-эфирные связующие показывают феноменальные результаты в композитах: углепластики сохраняют механические свойства неизменными даже при фантастических 500 МГр! Стеклопластики с тем же связующим при такой экстремальной нагрузке удерживают 70% изначальной прочности. Это демонстрирует исключительный радиационный иммунитет новых материалов.
Превышение практических потребностей и новые горизонты
Исследованная доза (500 МГр) в сто раз превосходит уровень, который накапливают космические аппараты за 15 лет службы (примерно 3 МГр). Работа с такими сверхвысокими нагрузками крайне важна для изучения долговечности конструкционных материалов в экстремальных условиях – будь то новейшие ускорители частиц или космические системы будущего. Результаты испытаний подтвердили полное соответствие композитов требованиям авиакосмической отрасли.
Широкое применение и перспективные разработки
Перспективные композитные материалы найдут применение в атомной энергетике, физике высоких энергиях и других сферах, где техника подвергается интенсивному излучению. Ученые планируют дальнейшие работы, в том числе изучение электронно-лучевой технологий отверждения цианат-эфирных связующих. Это открывает путь к повышению качества материалов и ускорению процессов крупносерийного производства композитов.
Иллюстрация: Цианат-эфирный углепластиковый сотовый заполнитель для сэндвич-панелей производства НИИКАМ. Фото предоставлено НИИКАМ
