Эпоксидные углепластики, как основной композиционный материал для современных несущих конструкций аэрокосмического назначения

Введение
На сегодняшний день, композиты являются самыми популярными и часто применяемыми материалами в авиастроении и ракетостроении. Многие из таких материалов легче и прочнее наиболее подходящих по своим физическим свойствам металлических (алюминиевых и титановых) сплавов. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу (или связующее) и включённые в неё армирующие элементы (или наполнители). В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жёсткость и т. д.), а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды. При совмещении армирующих элементов и матрицы образуется композиция, обладающая набором свойств, отражающими не только исходные характеристики его компонентов, но и новые свойства, которыми отдельные компоненты не обладают.
Применение композиционных материалов позволяет снизить вес изделия (ракеты, космического корабля) на 10…50% в зависимости от типа конструкции и, соответственно, сократить расход топлива, повысив при этом надежность. Созданы также композиционные материалы, в которых пластиковая (полимерная) основа армируется стеклянными, кевларовыми или углеродистыми нитями. Композиционные материалы широко используются в самолетостроении и космической технике из-за их хороших весовых и механических характеристик, позволяющих создать легкие и прочные конструкции, работающие и при повышенных температурах.
Снижение веса является первоочередной задачей проектирования космического летательного аппарата. Многие достижения в области создания тонкостенных оболочек обязаны своим происхождением этому требованию.
 
1. Эпоксидные матрицы
Разработка полимерных матриц для полимерных композиционных материалов (ПКМ) - серьезная и важная проблема, поскольку многие свойства композитов во многом определяются матрицей. В первую очередь, именно матрица связывает волокна друг с другом, создавая монолитный конструкционный материал. Матрица перераспределяет напряжения между соседними дисперсными частицами или волокнами, защищает наполнитель от вредного воздействия окружающей среды. Непрерывная матрица воспринимает внешние нагрузки и передает их частицам второй фазы. Одновременно матрица препятствуют росту трещин за счет относительно высокой пластичности или местного отслоения от волокна или дисперсной частицы.
Насколько реализуются высокие механические свойства волокон, зависит от таких свойств матрицы, как прочность, жесткость, пластичность, вязкость разрушения, ударная вязкость. Температурное поведение, термостойкость, огнестйокость, теплостойкость, ударная прочность, водо- и атмосферостойкость, химическая стойкость, трансверсальные (поперек волокон) механические свойства композитов решающим образом определяются полимерной матрицей и свойствами границы раздела фаз.

1.1. Компоненты эпоксидной смолы
Эпоксидные смолы являются важнейшим классом реактопластов, широко применяемым от бытовых клеевых композиций до конструкционных ПКМ.
Термин эпоксида означает трехчленный циклический эфир (также называемый оксираном или алкиленоксидом), в котором атом кислорода присоединен к каждому из двух атомов углерода, которые уже связаны друг с другом. Непрепятственный атом кислорода несет две неподеленные пары электронов - структуру, которая способствует образованию координационных комплексов и сольватации катионов. Из-за равносторонней деформации треугольника в этом маленьком кольце эпоксиды более реакционноспособны, чем более простые кольцевые эфиры.
Эпоксиды подвергаются реакциям, таким как расщепление связи C-O, нуклеофильное присоединение, гидролиз и восстановление в мягких условиях и быстрее, чем другие простые эфиры. Эпоксиды образуются в результате некоторых окислительных реакций алкенов с перкислотами.

1.1.1 Эпихлоргидрин
Эпихлоргидрин представляет собой прозрачную жидкость с острым чесночным запахом. Это вещество является очень реакционноспособным и легковоспламеняющимся соединением. Он будет полимеризоваться при нагревании или в условиях сильной кислоты и основания и при контакте с галогенидными солями. Это соединение будет бурно реагировать с сильными окислителями, безводными галогенидами металлов, сильными кислотами и основаниями, спиртами, фенолами, аминами (особенно анилин) и металлами, такими как цинк и алюминий. Огонь высвободит взрывоопасные и опасные смеси, включая фосген, хлористый водород и окись углерода. Он сильно раздражает кожу и канцерогенен.
Эпихлоргидрин, называемый также хлорпропиленоксидом, получают из пропена, хлорированного до аллилхлорида. Аллилхлорид представляет собой сырье для получения хлоргидринов глицерина, которые при дегидрохлорировании щелочью производят Эпихлоргидрин.
Эпихлоргидрин используется для приготовления многочисленных веществ, преимущественно синтетических глицерина и немодифицированных эпоксидных смол. Он используется в качестве строительного блока при изготовлении эластомеров и других полимеров, некоторые из которых используются в системах водоснабжения. Применяется для изготовления смол для мокрой пропитки и водоочистных смол. Его используют для получения различных производных глицидила, поверхностно-активных веществ, пластификаторов, красителей, фармацевтических препаратов, эмульгаторов, смазок и адгезивов. Он используется в качестве фумиганта для насекомых. Он также используется в качестве растворителя для целлюлозы, смол, канифолей, красок и пестицидов, а также в качестве стабилизатора в хлорсодержащих веществах.

1.1.2. Бисфенол А
Бисфенол А — 2,2-бис (4-гидроксифенил) пропан (BPA) — представляет собой органическое химическое соединение из группы фенолов. Это вещество содержится в повседневных предметах обихода.

Бисфенол А используется в промышленности в качестве мономера или добавки для производства поликарбонатных пластмасс, полисульфонов, полиэфиров, эпоксидных смол и других полимерных материалов. Кроме того, он встречается в некоторых бумажных изделиях, в том числе в бумаге для печати магазинных чеков. Свойства, данные продуктам BPA (т. е. жесткость, пластичность, прозрачность и прочность), делают их пригодными для многих технических применений (в электронном оборудовании, оконных стеклопакетах), а также в производстве многих повседневных предметов.

1.1.3. Аминные отвердители
К отвердителям аминного типа относятся различные соединения, содержащие свободные аминогруппы, ответственные за образование сетчатого полимера. В качестве таких отвердителей используют алифатические и ароматические ди — и полиамины, продукты их модификации, а также олигоамидоамины с концевыми аминогруппами. Аминными отвердителями можно отверждать практически все виды