Сквозные технологии цифрового проектирования и создания изделий из многоуровневых композиционных материалов на основе термопластичных матриц, наполненных углеродными волокнами и наночастицами
Группа научных исследований: Передовые Цифровые технологии. Цифровое проектирование, математическое моделирование и управление жизненным циклом изделия или продукции (Smart Design) и технологии «умного» производства (Smart Manufacturing).
Срок реализации: 2020-2025 гг.
Исполнитель: Лаборатория «Моделирование технологических процессов и проектирование энергетического оборудования» (МТПиПЭО)
Решаемые научно-технические задачи, полученные и ожидаемые результаты
В 2020 году
Проведено исследование методов создания многоуровневых композиционных материалов на основе термопластичных матриц, наполненных углеродными волокнами и наночастицами различной природы.
1. Важнейшие результаты по направлению научных исследований, полученные в период реализации соглашения в отчётном году с момента заключения соглашения.
Проведен анализ современного состояния методов создания изделий из многоуровневых композиционных материалов на основе термопластичных матриц, наполненных углеродными волокнами и наночастицами, выбраны направления и пути разработки технологии и исследования создаваемого композиционного материала. Проведены сравнения свойств между чистым полимером и смесью полимера с фуллереновой сажей, а также влияние добавок на свойства композиционных материалов.
На основе анализа научно-технической литературы по исследуемой теме обоснована актуальность работы и выбраны методы разработки и способы исследования создаваемого композиционного материала. Показаны пути повышения механических свойств ПКМ и адгезионной прочности на границе углеродное волокно-термопласт путем добавления нанопорошковых материалов, в том числе углеродных. Показано влияние содержания углеродных наноструктур в композиционном материале на предел прочности и модуль упругости, а также её влияние на трибологические свойства.
В результате литературного анализа методов пропитки углеродных волокон термопластичными полимерами показано, что пропитка из суспензии полимерных порошков является наиболее перспективной. Данный методом позволяет изготавливать ПКМ в виде однонаправленной термопластичной ленты и с высокой точностью регулировать объемную долю волокна в широком интервале (от 30 до 70 %). Также, с использованием данного метода, в процессе пропитки волокна возможно введение наноразмерных частиц в состав ПКМ, за счет его добавления в состав суспензии.
2. Сопоставление полученных результатов по направлению научных исследований с мировым уровнем
В ходе работ был выполнен анализ различных способов получения полимерных композитов, в том числе разработанных зарубежными исследователями. Были рассмотрены достоинства и недостатки методов. В большинстве способов получения полимерных композитов двумя основными шагами являются: 1 - изготовление ленты, которая включает в себя пропитку волокон термопластичными частицами и их последующую коалесценцию на волокнах для формирования гибкой ленты - препрега; 2 – спекание изделия, которое включает в себя укладку препрега под давлением для образования безпористых композитов.
- Проведено исследование методов создания многоуровневых композиционных материалов на основе термопластичных матриц, наполненных углеродными волокнами и наночастицами различной природы. Изготовлены образцы двухуровневых композиционных материалов. Проведены исследования свойств полученных образов: изготовлены образцы двухуровневых композиционных материалов. Проведены исследования свойств полученных образов.
- Разработаны высокоадекватные модели двухуровневых композиционных материалов. Проведены виртуальные испытания материалов.
- Изготовлены образцы многоуровневых композиционных материалов. Исследованы свойства полученных образов. Определены механизмы влияния наночастиц на свойства получаемых материалов.
- Разработаны высокоадекватные модели многоуровневых композиционных материалов. Проведены виртуальные испытания материалов.
- Проведена валидация высокоадекватных моделей двух- и многоуровневых композиционных материалов.
- Проведено исследование особенностей формования изделий из многоуровневых композиционных материалов.
- Разработаны цифровые модели технологических процессов переработки многоуровневых композиционных материалов
- Разработаны подходы к цифровому проектированию изделий из многоуровневых композиционных материалов.
- Проведены исследования влияния технологических параметров при формовании изделий из многоуровневых композиционных материалов.
- Осуществлено изготовление и испытание экспериментальных образцов изделий из многоуровневых композиционных материалов.
- Проведена верификация цифровых моделей технологических процессов переработки многоуровневых композиционных материалов
- Разработаны технологии формирования изделий из многоуровневых композиционных материалов.
- Разработаны цифровой платформы для проектирования изделий с учетом ограничений технологических процессов переработки многоуровневых композиционных материалов
- Реализовано Проектирование образцов демонстраторов технологии с использованием цифровой платформы.
- Изготовлены образцы демонстраторов из многоуровневых композиционных материалов.
