Полиетилен или износоустойчива стомана - какво да предпочетем - сп. Минна индустрия
Б.А. Карпункин, генерален директор на ООО "Полиетиленпластик" (Казан); В.В. Кудинов, гл. Изследовател в Института по металургия и материалознание на името на А.А. Байков RAS
Предимствата на композитните материали за технолозите от всички индустрии станаха очевидни: те са издръжливи, не са подложени на корозия, докато тяхната здравина не е по-ниска от стоманите и цветните метали. Тези предимства обуславят широкото използване на композитните материали (КМ) в машиностроителната индустрия, като водещата роля в тази посока са на най-напредналите компании. Ако през 50-те и 60-те години средната кола е съдържала около 10 кг CM, то в съвременната кола те ще се натрупат до 100–150 кг. В допълнение, композитните материали са леки, което означава, че те могат значително да намалят теглото на оборудването, да увеличат неговите динамични характеристики и, което е много важно сега, да намалят разхода на гориво. В самолетите делът на композитните материали достига 70% от теглото. Корпусите на ракетите и корабите често са направени изцяло от композитни материали. Композитните материали също са по-достъпни от някои скъпи елементи от високолегирана стомана или цветни метали. И накрая, те са по-лесни за обработка, могат да се използват за получаване на детайли с необичайни форми и цветове, което е много привлекателно за дизайнерите и дизайнерите.
Големи надежди днес се свързват с технологиите на тежкотоварните композитни материали: пластмаси, подсилени с въглеродни влакна, органопластики на базата на високоякостни високомодулни твърдо верижни арамидни и гъвкави верижни полиетиленови влакна с ултрависоко молекулно тегло. В табл. 1 показва физичните свойства на полиетиленовите влакна с висока якост. В табл. 2 показва физичните свойства на най-лекиястроителни материали.
От табл. 1 и 2, може да се види, че полиетиленовите влакна с висока якост и висок модул имат оптималната комбинация от якостни и тегловни характеристики.
Въпреки това, тежките композитни материали са все още скъпи, поради което само богатите клиенти плащат за тях. Например, за намаляване на теглото на агрегата с 1 кг автомобилният концерн е готов да инвестира 15 евро, авиоконцернът 300-1000 евро. Създателите на космически платформи са готови да се бръкнат с 10 000 евро и повече. Но в бъдеще технолозите се надяват да намалят разходите за производство на тези материали, така че масовото им производство да стане факт.
В табл. 3 показва сравнителен анализ на цената на влакната с висока якост на международните пазари.
В първите двадесет развити страни производството на композитни материали на глава от населението е 4 кг, в България - 0,7 кг. И ако "старото" фибростъкло в България е доста разпространен конструктивен материал, то дизайнерите могат само да мечтаят за свръхлеки съвременни композитни материали. Междувременно българските учени и технолози предлагат не просто свръхлеки конструкционни материали, подобни на вносните, а материали от по-висок клас, базирани на използването на нанотехнологии. Тези иновативни материали са разработени в България и превъзхождат чуждите аналози.
Всеки знае полиетилена. Химически устойчив материал, но не много устойчив на механични натоварвания. Друг полиетилен с ултрависоко молекулно тегло (UHMWPE) също се произвежда от дълго време. Изработените от него влакна са 10-15 пъти по-здрави от стоманата, 2-3 пъти по-леки от стъклени, арамидни и въглеродни влакна. От него се правят корабни въжета, риболовни мрежи, дори военни доспехи. Защо UHMWPE влакното не се използва като структурен композитматериал? Оказва се, че не може да се свърже с матрицата. Полиетиленовите влакна са толкова инертни, че изобщо не се придържат към какъвто и да е вид матрица. Следователно полиетиленовите влакна не се използват за създаване на композитни материали. Въпреки този проблем се произвеждат модерни търговски продукти на стойност над 60 милиарда долара, направени от полиетиленови влакна с висока якост и висок модул. Основно в Китай, Холандия, Япония и САЩ.
В продължение на десетилетия учени от цял свят се опитват да направят структурен композитен материал от тези свръхздрави нановлакна. Не работи!
Проблемът със създаването на такъв КМ е решен в България [1, 2]. Материалът е патентован и наречен "полиетиленова пластмаса". Патент България No 2419691, КМ "полиетиленова пластмаса" беше представен на изложенията на ОАО "Роснано" в Москва. Удостоен е със Златен медал на Чехия и специална грамота от Третия европейски конгрес на транспортната авиация в Берлин.
Това е точно случаят, когато не е необходимо да се догонват чужди технологии. Те просто успяха да го преодолеят.
Непосредствената перспектива за промишлена употреба на полиетиленовата пластмаса е като облицовъчен материал за кариерно оборудване. Дъното на каросерията на минен самосвал, незащитено от облицовката, е счупено от камъни за 6 месеца. Ако е защитен с износоустойчива стомана, камионът може да работи по-дълго. Но през зимата самосвалите транспортират повече от 10 тона скала, замръзнала до дъното на каросерията. Полиетиленовата пластмаса елиминира този проблем. Не пробива камениста почва и скалите не замръзват към нея. Работна температура на полиетиленовата пластмаса е до –120°C. Устойчивостта на износване на полиетиленовата пластмаса е на нивото на износоустойчивия полиуретан.
Новият материал за облицовка е базиран на полиетиленови влакна с висока якост, използвани за защита срещуогнестрелни оръжия и фрагменти от артилерийски снаряди. Специалните добавки правят повърхността на облицовката неподатлива на залепване и замръзване на транспортираната почва. Предложената облицовка, изработена от полиетиленова пластмаса, позволява да се увеличи експлоатационният живот на каросерията на превозното средство при транспортиране на скалисти почви с 2 пъти в сравнение с облицовката, изработена от листов полиетилен със свръхвисоко молекулно тегло (UHMWPE). Цената на полиетиленовата пластмаса е сравнима със съществуващите UHMWPE листови облицовки.
За да се елиминира замръзването на транспортираната скална маса към обшивката на каросерията на минни самосвали, понастоящем широко се използва отопление на каросерията с отработени газове от двигателя. Въпреки това, както показва експлоатационният опит, в много случаи съществуващите системи не са ефективни.
Разработената от нас облицовка позволява да се подобри индексът на замръзване на почвата, без да се влошава термодинамичният цикъл на двигателя.
На базата на полиетиленова пластмаса е разработено ултралеко енергопоглъщащо устройство за системата за пасивна безопасност на автомобила. Това са бъдещи брони, буфери, стелажи, прагове, врати. По време на удара на CM, "полиетиленовата пластмаса" преобразува кинетичната енергия на удара в други видове енергия, без да я предава на пътниците на автомобила. Продуктът лесно се интегрира в съществуващи технологии и модели автомобили.
От полиетиленова пластмаса е създадена свръхлека, тежка чанта за носене на безпилотен летателен апарат. Раница, изработена от композитен материал на базата на високоякостни високомодулни полиетиленови влакна, предпазва безпилотния летателен апарат (БЛА) от повреда при транспортиране в планини, гори и вода. По отношение на масата, той е 3-6 пъти по-лек от аналозите. При удар раницата не се срутва и не се пробива. Той е запечатан, радиопрозрачен, химически ибиологично стабилни и не се разрушават от ултравиолетовите лъчи и морската влага.
Към днешна дата са създадени проби от противоосколкова броня за защита на военни комплекси за морски въздушни и космически приложения. Бронята има маса 7 пъти по-малка от металните колеги.
Използването на ултралек композитен материал в инженерството дава възможност за значително подобряване на производителността чрез увеличаване на полезния товар, намаляване на специфичния разход на гориво, намаляване на потреблението на енергия и въздействието върху околната среда. Например при хеликоптер Ми-17, когато традиционните материали се заменят с полиетиленова пластмаса, полезният товар може да се увеличи с 15%. Безпилотен летателен апарат, когато замени части от тялото, изработени от фибростъкло с полиетиленова пластмаса, може да увеличи обхвата на полета с 30%. Полицейският брониран транспорт КАМАЗ може да увеличи полезния товар с 40%. Собствената маса на високоскоростните кораби от типа Meteor може да бъде намалена с 30%.
В арктически условия продуктите от полиетиленова пластмаса не подлежат на заледяване. С понижаване на температурата на околната среда якостните характеристики на влакната рязко се увеличават. Понасят добре динамични натоварвания при температури под -120°C. Комбинацията от уникална здравина и радиопрозрачност на високомодулни високомодулни полиетиленови влакна с висока якост отваря възможността за използване на материали на тяхна основа в дълбоководни радарни станции, подводници, както и в самолетни и морски антенни конструкции.
Пълнителят за производството на такъв ултралек материал с висока якост е UHMWPE влакно.
Необходима е здрава връзка между влакното и матрицата в CM за ефективното пренасяне на натоварването върху влакното и включване във връзкатаработа на всички елементи на композитната конструкция. Основният проблем е задачата за оптимизиране на физикохимичното взаимодействие между материала на матрицата и плазмено активираното многонишково високомодулно полиетиленово влакно (HVPE влакно) на интерфейсите, както и разработването на методи за оптимално активиране на влакното чрез плазма.
Иновативният характер на работата се крие във факта, че високочестотната плазма се използва за активиране на нанокристалните HFPE влакна при производството на CM. Плазмената обработка повишава здравината на връзката между влакното и матрицата 2-3 пъти, което позволява получаването на монолитна високоякостна полиетиленова пластмаса CM с плътност
За подсилване на CM се използва сложно или мултифиламентно влакно, което се състои от няколко хиляди нишки. Особено високата якост на влакнообразуващите полимери се дължи на тяхната наномащабна кристална структура. Едновременно с намаляването на размера на нишките се увеличава тяхната специфична повърхност, което увеличава степента на влияние на повърхностните характеристики на нишките върху свойствата на CM.
VPE - влакното за 95-98% се състои от нанокристали с размер 5-50 nm. Наноразмерните кристалити създават бездефектна структура на HPE влакното. Дефектите в аморфната фаза са блокирани и покрити от паралелна структура без дефекти, която подобрява свойствата на влакната.
Основните научни и технически задачи за получаване на CM от многонишково HPE влакно са максимално пълното му импрегниране с матрица и създаването на силна връзка между влакното и матрицата. За да започне физикохимичното взаимодействие между влакното и матрицата, те трябва да влязат във физически контакт, което се постига чрез намокряне на повърхността на влакното с материала на матрицата. Намокрянето изисква повърхностната енергиявлакно е по-голяма от енергията на междуфазната повърхност, образувана в процеса на намокряне между влакното и матрицата.
Структурата и свойствата на усилващите влакна се контролират с помощта на метода за плазмено-химично третиране на твърди вещества с плазма при понижено налягане. Технологията използва високочестотна плазма в атмосфера на неутрален газ аргон.