Ученые усовершенствовали процесс изготовления филамента на основе углеродного волокна — нити, используемой в 3D-принтерах для создания легких и прочных деталей, которые находят широкое применение в авиационной и космической отраслях.
В современном авиастроении углеродное волокно и композитные материалы на его базе высоко ценятся благодаря отличной прочности, жесткости и легкости. Также они обладают устойчивостью к коррозии, как указано на сайте Университета МИСИС.
Композиционный филамент — это термопластичная нить, используемая в 3D-печати. Нить армирована прочными волокнами, которые проходят по всей ее длине и закреплены в полимерной матрице. Матрица обеспечивает равномерное распределение нагрузок по всему объему материала. Для производства таких филаментов, как правило, используют полиэфирэфиркетон. Этот полимер ценится за высокую прочность и стойкость к химическим воздействиям. Недостатками являются высокая стоимость и значительная деформация изделий во время печати. Изготовление филамента усложняется необходимостью пропитывания волокон вязкими растворами, что часто приводит к разрушению тонких и хрупких волокон.
Аморфные термопластичные полимеры, такие как полиэфирсульфон, позволяют обойти указанные проблемы. Они более доступны по цене, имеют низкую вязкость в растворе и демонстрируют хорошую прочность. Специалисты из Университета МИСИС разработали новый метод пропитки углеродных волокон раствором полиэфирсульфона, что позволяет создать улучшенный композитный филамент.
«Вместо того чтобы заливать филамент расплавленным полимером, мы пропустили его через емкость 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», — комментирует Сергей Калошкин, директор Института новых материалов НИТУ МИСИС.
Оптимальные условия позволили достичь содержания полимера в матрице около 45% по массе, при этом пористость снизилась до нескольких процентов. Полученные нити продемонстрировали повышенную прочность на разрыв, которая превышает показатели аналогичных композитов на основе эпоксидных смол.
«Результаты продемонстрировали, что при увеличении концентрации раствора и диаметра фильеры доля термопластичного полимера в филаменте возрастает, но также увеличивается и пористость. Для получения материала с необходимой плотностью следует соблюдать баланс между диаметром фильеры и концентрацией раствора», — заключает аспирант Института новых материалов НИТУ МИСИС Алнис Веверис.
Фото: hi-tech.mail.ru