Разработка ученых СПбГУПТД снизит массу топливных баллонов, баков и цистерн, что облегчит их монтаж, хранение и транспортировку
Ученые Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна предложили состав вымываемых водой формообразующих заготовок для производства композитных баллонов высокого давления, эксплуатируемых в авиации, аэрокосмической технике и системах жизнеобеспечения.
Разработка поможет сделать изделия легче более чем в 2 раза по сравнению с традиционно используемыми металло-композитными баллонами и увеличить срок их эксплуатации благодаря повышенной усталостной прочности и возможности реализации более миллиона циклов перезаправки.
Композитные топливные баллоны производятся методом намотки сырья на преформы — формообразующие заготовки из металла. На них при помощи вращения наматывается ровинг (непрерывный жгут) из стекло- или углеткани, пропитанный термоотверждаемой смолой. Таким образом задается геометрия будущих баллонов.
Из-за невозможности извлечения металлической заготовки из композитного баллона производители оставляют ее внутри. Так получается металло-композитный сосуд. Однако такая преформа лишает композитный баллон своих преимуществ, так как металл подвержен коррозии и разрушению по сварным швам, утяжеляет изделие, а также обладает меньшей усталостной прочностью, то есть способностью сопротивляться разрушению при многократных нагрузках.
Ученые СПбГУПТД разработали замену металлическим преформам — композитные преформы (оправки). Их не нужно вынимать: они легко вымываются из готового баллона горячей водой. Составы новых преформ исследователи протестировали при изготовлении опытных образцов — стеклопластиковых оболочек — легких полых сосудов, производимых намоткой на разработанную вымываемую оправку.
«Преформы мы вымывали горячей водой, нагретой до 90–95 °С. Полное удаление достигается за 40–50 минут. При этом структура намотанного изделия осталась сохранна», — отметил один из авторов исследования, магистр кафедры наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов им. А. И. Меоса СПбГУПТД Дмитрий Христофоров.
В ходе экспериментов ученые разработали составы композита и изучили их свойства: прочность на сжатие, ударную вязкость, скорость растворения, термостойкость и теплопроводность.
«Мы пришли к выводу, что смеси песка с поливиниловым спиртом обладают высокой прочностью и выдерживают нагрев до 180 °С. Чтобы дополнительно повысить корректность процесса формования оправки и эффективность ее вымывания, мы также использовали многокомпонентные смеси с добавлением аморфного углерода», — рассказал доцент кафедры наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов им. А. И. Меоса СПбГУПТД Андрей Кузнецов.
Разработка поможет перейти на использование прочных и легких, не подверженных коррозии изделий предприятиям автомобиле- и судостроения, газодобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности и машиностроения, где конструкции и оборудование работают в экстремальных условиях эксплуатации.
Разработка выполнена в рамках программы Минобрнауки России Приоритет-2030.
