Перспективы применения арамидных композиционных материалов для термодеструктивных процессов в ракетно-космической технике

Развитие ракетно-космической техники сопровождается ростом требований к материалам, предназначенным для отделяющихся частей ракет-носителей. Эти элементы конструкции должны работать в условиях высоких температурных, динамических и аэродинамических нагрузок, обеспечивая надежность операций и минимальное воздействие на окружающую среду. Традиционно для данных целей применяются металлические сплавы и углеродные композиты. Однако, эти материалы имеют определенные ограничения, такие как высокая плотность и стоимость. В этом случае актуальность приобретают полимерные композиты с включением арамидных волокон. Арамидные композиционные материалы демонстрируют сочетание малой массы и высокой прочности, что делает их востребованными для применения в высоконагруженных конструкциях.

Одним из ключевых факторов реализации термодеструктивных процессов является способность материалов к контролируемому сгоранию. Согласно исследованиям Трушлякова и соавторов [1], внедрение энергетических материалов (ЭМ) в полимерные композиционные материалы (ПКМ) позволяет достичь температур зажигания, необходимых для сгорания отделяемых фрагментов при повторном входе в атмосферу. В патенте [2] указывается необходимость разработки материалов, способных полностью сгорать до попадания на землю, что снижает негативное воздействие на окружающую среду.

Арамидные волокна выделяются среди других полимерных волокон благодаря своим физическим и механическим характеристикам. Предел прочности арамидных волокон сопоставим с углеволокном, но у арамидов значительно выше удлинение при разрыве, что позволяет эффективнее поглощать ударные нагрузки и снижать риск трещинообразования. Углеволокно обладает более высоким модулем упругости, но его низкое удлинение увеличивает хрупкость материала. В свою очередь, арамиды устойчивы к вибрациям и температурам до 400˚C благодаря высокой пластичности. Они имеют низкую воспламеняемость и способность к карбонизации при температурах выше 350°C, что снижает риск самовозгорания. Склонность арамидов к впитыванию влаги компенсируется полимерной матрицей, которая защищает их от ультрафиолетового излучения. Эпоксидные смолы являются оптимальными для использования с арамидными волокнами из-за хорошей адгезии. Эксперименты показали, что арамидно-эпоксидные композиты имеют улучшенные механические свойства, включая снижение пористости и увеличение прочности при изгибе [3].

В качестве энергетического модуля были рассмотрены смесевые твердые ракетные топлива с окислителями, такими как нитрат калия (KNO₃) и пероксид бария (BaO₂), в сочетании с металлами (магний, алюминий), которые способны гореть в вакуумных условиях [4]. Смесь нитрата калия (KNO₃) и магния (Mg) была признана наиболее эффективной для применения в ЭМ [5]. Эта смесь обеспечивает стабильное горение в вакууме благодаря разложению KNO₃, который выделяет кислород для поддержания горения. Высокая реакционная способность и низкая температура воспламенения магния позволяют обеспечить интенсивное и устойчивое горение. К тому же, температуры, достигаемые в результате химических реакций, достаточны для инициирования термодеструкции полимерного композита.

Таким образом, арамидные волокна проявляют значительные преимущества благодаря высокому удлинению при разрыве и способности поглощать энергию, что снижает риск трещинообразования и обеспечивает устойчивость к вибрациям и температурам до 400˚C. В сочетании с эпоксидными смолами, эти композиты демонстрируют высокие механические свойства и меньшую хрупкость по сравнению с углеволокном. Смеси, такие как нитрат калия и магний, обеспечивают стабильное горение в вакуумных условиях, что расширяет их применение в ракетной технике и повышает эффективность и безопасность космических систем.