ENGНовый мир требует новых материалов для его возведения. Свойства того или иного материала уже не могут быть константой. Сейчас в тренде наноматериалы с «настраиваемыми» характеристиками. Расскажем об одном из самых перспективных направлений современного материаловедения — самозалечивающихся материалах.
Лидером в этой области является Межотраслевой инжиниринговый центр «Композиты России» Московского государственного технического университета (МГТУ) им. Баумана. Центр действует уже девять лет. Одной из центральных тем его работы является разработка и внедрение в производство самозалечивающихся полимерных композиционных материалов.
Самовосстанавливающиеся полимерные композиты представляют собой совершенно новый класс материалов, наделенных способностью к регенерации. Они способны самостоятельно устранять небольшие механические повреждения благодаря своей структуре. Человек в данном процессе обычно исключен, и этот параметр является главным условием для определения материала как «самозалечивающегося».
Технологии востребованы, например, в судо- и авиастроении при создании связующих элементов конструкции, а также в лакокрасочной промышленности, когда защитное покрытие само затягивает небольшие трещины. Например, технологию на основе микрокапусльного подхода, о котором рассказано ниже, уже несколько лет применяет японский автомобильный концерн Nissan, чьи преимум-модели могут покрываться защитным покрытием Scrath Shield, способным самостоятельно устранять небольшие по глубине царапины.
На сегодняшний день существует два принципиальных метода получения самовосстанавливающихся композитов: примесное и беспримесное восстановление. В первом случае используются специальные залечивающие добавки в виде сферических капсул или трубок. Полимер — сам по себе материал, изначально хорошо приспособленный к внедрению в него различных добавок. Для обеспечения самовосстановления в него внедряют тонкостенные инертные хрупкие капсулы с залечивающим веществом. При повреждении капсула трескается, залечивающая добавка высвобождается и вытекает в трещину по капиллярам материала. При этом она смешивается с катализатором и отвердителем, заранее внедренными в материал. Таким образом, происходит затвердевание и устранение трещины.
Существенный недостаток данного метода — однократное восстановление, ухудшение механических свойств базовой матрицы и, соответственно, самого материала. Поэтому в МГТУ избрали второй путь, который представляет собой внедряемую при создании полимерного композита обратимую химическую реакцию. При этом синтезируются особые физико-химические системы, способные за счет своей структуры образовывать и разрывать химические связи в определенных условиях. Данный метод именуется «процессом обратимого разрушения» и восстановления внутренних связей.
В этом случае обычно требуется только местный нагрев для запуска процесса восстановления. В МГТУ при создании подобного полимерного композиционного материала была выбрана основа циклоприсоединения между парой фуран-малеимид. Особенности реакции между этими соединениями позволяют добиться создания материала, отверждаемого при относительно невысоких температурах, при том что его термостойкость будет превышать 1000 градусов. И самое главное — появляется способность к многократному восстановлению незначительных повреждений.
Кроме того, полученный в МГТУ в результате исследований самовосстанавливающийся полиуретановый материал является экологически безопасным, так как для его синтезирования используется фурфурол, продукт переработки сельскохозяйственных отходов.
Также существенным достоинством данного материала является возможность его вторичной переработки. Причем при рециркуляции механические свойства материала ухудшаются незначительно, а сам процесс переработки можно повторять как минимум пять раз.
В России заказчиками инновационных технологий вполне могут стать Объединенная авиационная корпорация, холдинг «Вертолеты России», Объединенная судостроительная корпорация, предприятия, работающие на космос и реализующие программы инновационного развития.
Автор: Игорь Комаров
Фотографии предоставлены МИЦ «Композиты России»
