0723-2-opreview (Разработка технологии изготовления углерод-углеродного композиционного материала на основе нетканого окисленного полиакрилонитрила)

ОТЗЫВ ОФИЦИАЛЬНОГО ОППОНЕНТА на диссертацию Елакова Александра Борисовича, выполненную на тему «Разработка технологии изготовления углерод-углеродного композиционного материала на основе нетканого окисленного полиакрилонитрила», представленную на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.06 — Порошковая металлургия и композиционные материалы Актуальность темы исследования. Среди конструкционных материалов для высокотемпературного применения особое место занимают современные углеграфитовые материалы — искусственные графиты и углерод-угл сродные композиционные материалы (УУКМ). УУКМ, как правило, являются более предпочтительными и, прежде всего, для конструкций, работающих в условиях действия механических и тепловых ударов.

Эти материалы обладают уникальным сочетанием эксплуатационных свойств, как правило, не доступных для традиционных конструкционных материалов, что делает их наиболее перспективными для самых жестких условий эксплуатации, в которых ни один другой материал не может обеспечить необходимых показателей и достаточного ресурса. Вместе с тем, значительные усилия предпринимаются для улучшения технологических и эксплуатационных свойств УУКМ. В частности, ставится задача сокращения, все еще достаточно высокой стоимости производства изделий из УУКМ, повышения их эрозионной стойкости и создания условий для эффективного применения этих материалов в тонкостенных сложнопрофилированных деталях.

Один из возможных путей решения данных проблем основан на разработке нового класса УУКМ с армирующим каркасом из нетканых волокнистых материалов, обеспечивающих получение в композите мелкоячеистой структуры. Однако, в настоящее время, за рубежом нетканые материалы используются для армирующих каркасов только в сочетании с традиционными нитяными структурами, а в России вообще отсутствует подобный опыт применения нетканых материалов, практическое использование которых ограничивается созданием низкоплотных компонентов теплозащиты. Поэтому тема диссертационной работы Елакова А.Б., посвященная разработке, исследованию и практическому использованию технологии получения УУКМ на основе нетка- ного окисленного полиакрилонитрила (ПАНа) для применения в изделиях аэ- рокосмической техники представляется крайне своевременной и актуальной и требует всестороннего и адекватного рассмотрения.

Степень обоснованности и достоверности научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации. Структура и логика изложения соответствуют поставленным в диссертации задачам исследования. Судя по содержанию диссертации, представленная на защиту работа содержит результаты комплексных исследований основных научных и практических проблем, связанных с созданием высококачественных УУКМ с нетканым углеволокнистым каркасом, полученным на основе окисленного ПАН-волокна.

Для решения поставленных задач автор опирается на обширную теоретико-методологическую базу, основанную на сочетании современных теоретических и экспериментальных методов по комплексной оценке механизмов формирования нетканого углеволокнистого каркаса из окисленного ПАН, эволюции его химического состава и микроструктуры, а также базовых эксплуатационных характеристик получаемых композитов. Реализация этой методологии обеспечивает возможность целенаправленного проектирования технологии создания УУКМ с требуемыми структурой и функциональными свойствами, Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений.

Во введении обоснована актуальность темы исследования, кратко охарактеризована степень научной разработанности проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, определены его объект и предмет, приведены наиболее существенные результаты работы, выносимые на защиту и обладающие научной и практической значимостью и новизной. В первой главе исследования автор проводит обзор литературных данных по современным углеграфитовым материалам — искусственным графитам и УУКМ.

Анализ зарубежного и отечественного опыта применения этих жаростойких материалов показал, что наиболее перспективными, в настоящее время, являются УУКМ. Приведена классификация и анализ базовых методов изготовления УУКМ. Выявлены достоинства и недостатки каждого из этих методов. Подробно проанализированы армирующие структуры, используемые в УУКМ, как на основе непрерывных углеродных нитей, так и нетканые материалы ~НМ). Показано, что по сравнению с тканевым„стержневым и нитяным армированием, нетканое армирование позволяет получать более однородные и мелкоячеистые каркасы для УУКМ.

Проведен анализ методов производства НМ. Был сделан вывод, что наиболее перспективным методом формирования НМ для углеродных каркасов является иглопрокалывание и гидроструйная обработка, а в качестве исходного полимерного волокна предпочтительно использование окисленного ПАНа. На основании результатов проведенного анализа автором сформулированы основные проблемы получения УУКМ с каркасом из нетканого окисленного ПАНа, которые необходимо было решить при выполнении данной диссертационной работы. Во второй главе исследования автор описывает типы и свойства исходных веществ и материалов, использованных в работе для получения экспериментальных образцов армирующих каркасов и композиционных материалов.

Приводится описание технологического и испытательного оборудования и методик экспериментальных исследований и испытаний, обеспечивающих определение микроструктуры, химического состава, пористости и комплекса физико-механических и теплофизических свойств полученных в работе каркасов и УУКМ. Исследования стойкости УУКМ к высокотемпературному воздействию проводилось на установках, максимально имитирующих реальные условия работы узлов высокотемпературной техники. В третьей главе приведены результаты исследований по разработке армирующего углеволокнистого каркаса из окисленного ПАНа.

Исследована возможность применения используемого в работе окисленного ПАНа при формировании иглопробивных массивных каркасов для последующего получения УУКМ. Установлены технологические параметры прессования в закрытой пресс-форме, обеспечивающие получение полимерных волокнистых заготовок оптимальной плотности. Исследовано поведение окисленного ПАНа при термообработках — термостабилизации и карбонизации. Выявлены особенности микроструктуры волокнистой заготовки на различных технологических стадиях. В результате проведенных исследований разработана технология получения однородного бездефетного полимерного каркаса из окисленного ПАНа и армирующего углеродного каркаса на его основе. Проведена оценка механических свойств при растяжении элементарных углеродных волокон, полученных по разработанной технологии из волокон окисленного ПАНа. В четвертой главе автор приводит результаты исследований по созданию цилиндрических иглопробивных нетканых каркасов и УУКМ на их основе, имеющих непосредственную практическую значимость для осесимметричных деталей изделий ракетно-космической техники (РКТ).

В работе рассмотрены два базовых технологических варианта решения этой задачи — на основе гидро- струйного и иглопробивного уплотнения наматываемого холста, с последующим пресс о вани ем. Было выявлено существенное влияние напряженно- деформированного состояния (НДС), возникающего при формировании массивных цилиндрических объектов, на качество и бездефектность каркасов и УУКМ. Для решения данной проблемы в работе была разработана математическая модель и проведены численные расчеты НДС полимерного холста при его намотке на цилиндрическую металлическую оправку. Входящие в модель НДС механические характеристики каркасов были получены в результате экспериментальных исследований. Проведенные численные исследования позволили сформулировать условия, при которых на этапе прессования формируются качественные однородные цилиндрические заготовки, обеспечивающие в дальнейшем получение УУКМ с отсутствием в их структуре макродефектов. В пятой главе приведены результаты отработки технологий получения высокоплотных УУКМ на основе разработанных нетканых каркасов, испытаний и определения характеристик, полученных композитов.