0723-1-opreview (Разработка технологии изготовления углерод-углеродного композиционного материала на основе нетканого окисленного полиакрилонитрила)

официального оппонента Колесникова Сергея Анатольевича на диссертацию Елакова Александра Борисовича на соискание ученой степени кандидата технических наук на тему «Разработка технологии изготовления углерод- углеродного композиционного материала на основе нетканого окисленного полиакрилонитрила» по специальности 05.16.06 — Порошковая металлургия и композиционные материалы. Актуальность темы исследования Диссертация Елакова А.Б. посвящена актуальной научно-технической проблеме — разработке и исследованию углерод-углеродных композиционных материалов повышенной работоспособности при экстремальных условиях эксплуатации.

Актуальность постановки и решения поставленных задач определяется объективной необходимостью разработки углерод-углеродных композиционных материалов с минимальной шероховатостью рабочих поверхностей деталей и узлов авиакосмической техники. Производимые и применяемые в настоящее время в РФ материалы содержат относительно крупные структурные ячейки композита — до нескольких миллиметров. Структура рабочих поверхностей деталей соплового тракта в процессе эрозионного уноса наследует исходные особенности. В результате в рабочем пристеночном слое повышается турбулентность рабочего потока с соответствующим увеличением теплоотдачи и снижением эрозионной стойкости детали.

В случаях создания малогабаритных термонагруженных деталей применение материалов с относительно «грубой» структурой недопустимо. И в этом случае возвращаются к использованию конструкционных графитов, несмотря на их пониженную термопрочность и абсолютно не достаточные механические характеристики. Разработанные с участием Елакова А.Б. новые типы УУКМ к тому же более экономичны в производстве, по сравнению с традиционными углеродными композитами.

Это является результатом технологического совмещения высокотемпературных процессов получения углеродных волокон с высокотемпературными операциями получения композита в целом. Диссертация Елакова А.Б. состоит из введения, пяти глав, раздела с основными результатами и выводами по работе, 3-х приложений, всего 144 стр. основного текста, в том числе 80 рисунков и 16 таблиц. Автореферат диссертации содержит 23 стр., в том числе 9 рисунков и 5 таблиц. Диссертантом использованы цитирования из 150 источников. Во введении обоонована антувтьнооть темы, оформулировава вель н талачи исследований, новизна и практическая значимость полученных результатов.

тературы по разрабатываемой тематике. Диссертант показывает широкое знание типов, свойств конструкционных графитов, достаточное для современного научного работника, технолога, материаловеда головного предприятия - АО «Композит». Проведен анализ аидов конструкционного графита, УУКМ, их армирующих наполнителей и сделан общий обзор технологии. Логика постановки задачи диссертации привела автора к необходимости поиска новых структур углеродных волокнистых наполнителей.

Выявлено противоречие, что промышленность волокон (в том числе и углеродных) стремится к выпуску продукции с большей текстильной плотностью, а промышленность композиционных материалов, напротив, нуждается в тонкозернистых структурных ячейках композитов. И особенно драматично это противоречие при создании деталей ракетно-космической техники, эксплуатирующихся в высокоскоростных и высокотемпературных потоках. В целом диссертант демонстрирует глубокую и обширную осведомленность по вопросам современных направлений разработки конструкционных углеродных материалов для ракетно-космической техники. При этом диссертантом определено собственное направление исследований в мире и, особенно, в РФ.

Нужно согласиться, что в РФ данная работа является пионерской. Во вто ой главе представлены характеристики исследуемых материалов, методы их анализа, а также методика и принципиальная схема получения нового типа композиционного материала. Приводится описание методического и технологического обеспечения исследовательских и технологических работ. Диссертантом применены в работе различные методы как структурного анализа, так и анализа микроструктуры материалов, в том числе эталонная порометрия для исследования макропористой структуры.

Физико-механические и теплофизические характеристики определены на оборудовании АО «Композит», применяемом при стандартизации композиционных материалов ракетно-космической техники. Технологическая часть работы проведена на опытно-промышленном оборудовании, применяемом в том числе при изготовлении серийных УУКМ. Для изучения работоспособности разработанных материалов в ракетной технике проведены испытания на плазмотроне, имитирующем испытания при внешнем обтекании детали высокоскоростным высокотемпературным потоком, и на стенде УТТ в газогенераторе 2ЭД43, имитирующем работу РДТТ. В т етьей главе представлены результаты собственных исследований в выбранном автором направлении технологии УУКМ. Глава посвящена разработке технологии получения армирующего углеродного каркаса из окисленного полиакрилонитрила.

Получение углерод-углеродных заготовок и деталей из них требует разработки производственного обеспечения углеродными волокнистыми каркасами объемом, достаточным не только для изготовления деталей, но и контрольных образцов для приемо-сдаточного контроля. Как отмечено диссертантом выше, углеродные волокнистые прекурсоры при высокотемпературных операциях могут окислиться до полной деструкции из-за высокого экзотермического эффекта. Поэтому диссертантом с привлечением методов инфракрасной спектроскопии проведены научные исследования состояния промышленного продукта «ОКСИПАН». Классификация этого продукта как «недоокисленного» определила в последующих этапах работ кинетику высокотемпературной обработки. Существенным требованием при получении эффективных УУКМ является достижение оптимального уровня объемного содержания углеродного волокна в структуре композита Щ.

Обычно этот уровень близок к 0,5...0„б5. В настоящем случае для достижения оптимального уровня этого параметра диссертанту пришлось разрешить проблемы подготовки каркаса с учетом отмеченных тепловых эффектов„а так же оптимизации процесса прессования волокнистых структур, не содержащих компонент связующего. Настоящая технологическая операция не имеет предшествующих аналогов. Автор установил, что процесс прессования таких структур следует проводить при трех последовательно сменяемых режимах.

Диссертант провел полностью самостоятельный раздел работ и получил в математической форме рекомендации ддя управления процессом в зависимости от размеров каркасов и особенностей их структуры. В итоге можно положительно оценить научно-технические способности диссертанта в анализе технологической проблемы, возникшей перед ним, выбор наиболее оптимальных путей технического решения задачи, последовательное, поступательное достижение положительного результата. Работы рассматриваемого этапа завершились оформлением патента РФ на способ изготовления каркаса УУКМ. В качестве характеристики полученных каркасов исследована их пористая структура, что открывает возможности управления процессом формирования углеродной матрицы композита, а так же изучены свойства углеродных волокон наполнителя будущего УУКМ.

В итоге получены свойства углеродного волокна наполнителя композита на уровне средних промышлен- леродного волокна наполнителя композита на уровне средних промышленных углеродных тканей. Достигнутый результат следует считать существенно значимым, т.к. это уровень свойств углерОдных волокон не для исходного коммерческого волокнистого продукта, а уже после ряда операций прессования пакета и его карбоннзации. Как известно, углеродные наполнители при внешней прессовой нагрузке быстро теряют свою прочность из-за их высокой хрупкости.

Поэтому достигнутый результат ~см. сравнение таблиц 3.2 и 3.3) следует считать значительным успехом диссертанта в его практической технологической работе. В четве той главе изложены результаты изучения процесса изготовления нового для материаловедения УУКМ типа армирующих каркасов. Глава посвящена формированию иглопробивных каркасов и отработке технологии получения крупногабаритных заготовок на основе этих каркасов, В настоящей, по сути, пионерской работе диссертант столкнулся с еще одной сложностью, заключающейся в развитии межслойных напряжений в плотном объемном каркасе, приводящих к расслоению н образованию недопустимых трещин в нем.

Первым этапом решения возникшей проблемы диссертантом принято математическое моделирование напряженно-деформированного состояния каркаса, в данном случае, получаемого намоткой. Привлечение математического аппарата для моделирования развития напряжений в каркасе позволило автору получение четких практических выводов о роли трансверсального армирования в объемном каркасе. Часть из них в сжатой и конкретизированной форме изложены на 99-й стр. диссертации. В результате работ 4-ой главы диссертантом введен в базовый технологический процесс передел объемного армирования нглопробивным методом.