В Университете МИСИС упростили производство филамента на основе углеродного волокна — нити, которую используют в 3D-принтерах — для печати лёгких и прочных деталей, востребованных в аэрокосмической отрасли.
В современной авиапромышленности углеродное волокно и композиты на его основе особенно ценятся за высокую удельную прочность, жёсткость и лёгкость. Кроме того, они не подвержены коррозии. Композиционный филамент — термопластичный полуфабрикат в виде нити, используемый в 3D-печати — состоит из волокон, упрочняющих нить по всей длине, соединенных с полимерной матрицей, которая распределяет нагрузку по всей площади материала. Одним из самых востребованных полимеров для получения подобных филаментов является полиэфирэфиркетон благодаря высокой прочности и устойчивости к химическим воздействиям. Однако он дорогой и изделия из него сильно деформируются в процессе печати. Дополнительные трудности связаны со сложностью изготовления филамента: пропитывать волокна приходится очень вязким раствором, что приводит к разрушению хрупких волокон.
Аморфные термопластичные полимеры (в данном случае полиэфирсульфон) лишены этих сложностей: они дешевле, в растворителе могут иметь низкую вязкость и высокую прочность. Чтобы получить усовершенствованный филамент, учёные Университета МИСИС предложили новый метод пропитки углеродных волокон раствором полиэфирсульфона.
Д.ф.-м.н. Сергей Калошкин, директор Института новых материалов НИТУ МИСИС объясняет: «Вместо того чтобы заливать филамент расплавленным полимером, мы пропустили его через ёмкость с раствором полимера в специальной жидкости, а затем через фильеру, которая удаляет излишки. В результате материал оказался равномерно покрыт полимером, а после испарения растворителя получилась плотная бездефектная нить».
При оптимальных условиях массовое содержание полимера в матрице достигало около 45%, а пористость уменьшалась до нескольких процентов. Нити демонстрировали прочность на разрыв, превосходящую композиты на эпоксидной основе. С подробными результатами исследования можно ознакомиться в научном журнале Inorganic Materials: Applied Research.
«Результаты показали, что при большей концентрации раствора и увеличенном диаметре фильеры доля термопластичного полимера в филаменте повышается, но также повышается и пористость. Для получения материала с достаточной плотностью необходимо соблюсти баланс между диаметром фильеры и концентрацией раствора», — сказал аспирант Института новых материалов НИТУ МИСИС Алнис Веверис.
