Специалисты НИТУ МИСИС предложили усовершенствованную технологию производства филамента на основе углеродного волокна — нити, которую используют в 3D-принтерах — для печати легких и прочных деталей, востребованных в аэрокосмической отрасли.

В современной авиапромышленности углеродное волокно и композиты на его основе особенно ценятся за высокую удельную прочность, жесткость и легкость. 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. Он обладает 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, такие как полиэфирсульфон, дешевле, в растворителе могут иметь низкую вязкость и высокую прочность. Чтобы получить усовершенствованный филамент, ученые Университета МИСИС предложили новый метод пропитки углеродных волокон раствором полиэфирсульфона.

«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», — рассказал один из авторов разработки, директор Института новых материалов НИТУ МИСИС, доктор физико-математических наук Сергей Калошкин.

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.

«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», — отметил другой участник исследования аспирант Института новых материалов НИТУ МИСИС Алнис Веверис.