Самовосстанавливающиеся материалы

Сохранить в закладки
20721
8
Сохранить в закладки

Химик Александр Полежаев о видах умных материалов, непредсказуемости углепластиков и полимерах

Что такое композиционные материалы? Как значительно улучшить свойства ткани или металла? Как создают новые материалы? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

XX век был взрывом в материаловедении — как в способах создания материалов, так в способах проектирования материалов. Последним важным направлением стало создание умных материалов, способных давать отклик на некое воздействие, которое вы к ним прикладываете. У всех материалов есть свойства, и обычно эти свойства им имманентно присущи. То есть если у нас есть некий материал, у него есть прочность, твердость, цвет. Они никаким образом не меняются.

Некоторые материалы, которые стали создавать уже во второй половине XX века, умеют реагировать на те воздействия, которые к ним прикладываются. Один из самых простых примеров — материалы с памятью формы. Например, вы нагреваете некий материал, придаете ему форму, охлаждаете, после этого он возвращается в исходное состояние. Материалы с откликом, которые изменяют цвет в зависимости от любых факторов среды: температуры, pH среды, освещения, механического воздействия. Фактически умный материал — это почти изделие. Например, он может работать как датчик: если материал меняет цвет в зависимости от наличия угарного газа в помещении, то вам уже ничего больше делать не надо. Вам достаточно на него посмотреть, и он говорит, есть угарный газ или нет.

Направлений, в которых развиваются умные материалы, огромное количество: конструкционные материалы, биоматериалы, неорганические, органические, полимерные, ткани на основе природных соединений.

Одним из новых направлений в создании умных материалов в части полимеров являются материалы со свойством самовосстановления. Это материалы, которые умеют восстанавливать свою структуру и механические свойства, нарушенные в результате повреждений. Чаще всего это повреждения от тепла либо света. Эти материалы можно разделить на две большие группы: с примесным самовосстановлением и беспримесным самовосстановлением.

С примесным самовосстановлением все достаточно просто. Вы можете взять полимер и внутри него распределить капсулы, внутри которых находится жидкий клей, находящийся в капсуле и остающийся в жидком состоянии. Если вы повредите полимер, то из этой капсулы вытекает жидкость, заполняющая поверхность трещины, а дальше она полимеризуется. Клей взаимодействует с кислородом воздуха, который есть в трещине, либо это может быть катализатор, который заранее введен в матрицу, но не контактирует с жидкостью в капсуле. Другой вариант — когда жидкость помещают в полые трубки, из которых делают сетку, и располагают ее внутри полимерного материала.

С таким способом самовосстановления возникает несколько проблем. Во-первых, оно однократное. Если капсула лопнула и из нее жидкость вытекла, то второй раз в этом месте самовосстановления уже не будет. Во-вторых, если вы берете капсулы или трубки и начинаете их располагать внутри материала, то это ухудшает его собственные механические свойства, потому что вы вводите концентраторы напряжений вокруг. Получается, что если вы вводите мало капсул, то низкая вероятность того, что трещина заполнится мономером; если вводите много капсул — вы портите материал.

Вторым способом самовосстановления является беспримесное самовосстановление. Оно заключается в том, что вы заранее проектируете все компоненты, которые входят в состав полимера, таким образом, чтобы они умели обратимо образовывать химические связи между своими частями. Существует набор обратимых реакций. Например, вы взяли компонент А, компонент Б, смешали их — получили компонент АБ. Погрели или посветили другой длиной волны, и у вас А и Б разорвались. Эту реакцию сочетания и разрушения вы можете проводить бесконечное количество раз.

Такие реакции бывают фотокатализируемыми и термически катализируемыми, то есть при одной температуре реакция идет в одну сторону, при другой температуре — в обратную сторону. Если вы спроектируете материал, внутри которого будут компоненты, способные к образованию разрушающихся под определенным воздействием связей, то вы можете создать материал, в котором существует двойная взаимопроникающая сетка. Одна сетка образует прочные связи, которые всегда остаются на месте, а вторая сетка, которая проникает через нее, образована обратимо образующимися связями. Когда материал поврежден, вы можете провести обратную реакцию, то есть расшить одну из этих сеток. Тогда ее компоненты начинают растекаться, распределяться внутри трещины. После этого вы подвергаете ее воздействию, которое приводит к обратной сшивке, и фактически происходит залечивание трещины.

К сожалению, трещины, которые такие материалы способны залечивать, достаточно маленькие — 200–300 микрометров. Важно заметить, что вся прочность углепластиков и стеклопластиков заключена в углеродном волокне. Разница в прочности между волокном и полимерной матрицей составляет несколько порядков. Задача полимерной матрицы состоит в том, чтобы распределять нагрузку на углеродное волокно. Любое разрушение начинается с полимерной матрицы. Если дело дошло до разрушения угля, то это уже необратимо поврежденный материал. Наша задача состоит в том, чтобы в случае незначительных повреждений успевать предотвращать дальнейшее разрушение.

Эта проблема возникает из самой структуры композита. Если мы говорим об углепластиках, то с 1960-х годов известно, что углепластики легче и прочнее, чем традиционные авиационные материалы, авиационные металлы. Тем не менее гражданские самолеты из углепластиков не проектировали, потому что металл предсказуем: это изотропный материал, и его свойства во всех направлениях одинаковы. Он хорошо описывается уравнениями, которые изучают инженеры в сопромате. Вы можете спроектировать любой объект, заранее зная свойства тех металлов, которые у вас есть.

Когда вы переходите к углепластикам, вы с трудом можете спроектировать объект. Это анизотропный материал, и его свойства в разных направлениях различны. Также его разрушение непредсказуемо. Если рабочий уронил молоток на крыло самолета, там либо есть вмятина, либо ее нет. Это можно легко заметить визуально, можно детектировать простейшими датчиками. Если повреждение есть, вы всегда можете сказать, что будет дальше, допустимо это повреждение или нет. С углепластиками это не работает: разрушения в них не видны. Чаще всего в углепластике традиционное разрушение — деламинация, когда два слоя углеткани расходятся между собой. Этого достаточно, чтобы привести к полной потере прочности и конечному разрушению углепластика. Такие повреждения начинаются с микротрещин, которые потом приводят к полному разрушению композита.

Только в XXI веке более или менее научились проектировать и предсказывать свойства углепластиков. Сейчас впервые делается гражданский лайнер с фюзеляжем из композиционных материалов, потому что считается, что он уже отвечает требованиям безопасности. Хотя весь этот фюзеляж обвешан безумным количеством датчиков, которые контролируют состояние материала. Это то, чего не требовалось делать с металлами.

Мы пытаемся создать материал, который не потребует бесконечного количества датчиков. Идея состоит в том, что есть определенный срок службы, в который понятно, что с ним ничего не произойдет. Дальше вы проводите техобслуживание и гарантированно возвращаете его механические свойства обратно к тем, которые были с самого начала, — в данном случае мы говорим о полимерных композиционных материалах.

Все полимеры можно разделить на две категории: термопласты и реактопласты. Термопласты — это вещества, которые перерабатывают плавлением. Например, полиэтиленовую пленку можно расплавить бесконечное количество раз. Вы сделали из нее изделие, оно вам не понравилось, тогда расплавили его и сделали заново. Таких материалов огромное количество, они не ограничиваются полиэтиленом. У всех них есть полезное свойство: они плавятся и перерабатываются в изделие. И есть один большой недостаток: они довольно непрочные, и чем легче вещество расплавить, тем меньшей механической прочностью оно обладает.

Есть второй класс соединений, с которыми люди не очень любят работать, — реактопласты. Это вещества, которые изначально представляют собой жидкие смолы и клеи. Вы их смешиваете, они затвердевают, образуют сшитые полимеры, которые уже расплавить невозможно. Самый простой пример — эпоксидка: мы берем эпоксидную компоненту, смешиваем ее с отвердителем, несколько часов подождали — и у нас застывший материал, который таким останется навсегда. Реактопласты обладают очень хорошими механическими свойствами. Одно из основных их применений — это как раз создание углепластиков и стеклопластиков. И у них один большой недостаток: нет вторичной переработки. Вы можете сжечь изделие, измолоть в крошку и закатать в асфальт, но вернуть его в исходные компоненты не сможете.

Вторая проблема — дефекты. Если они возникают при изготовлении изделий или в процессе эксплуатации, то после этого можно только выбросить изделие. Мы пытаемся создать материалы, которые бы умели самостоятельно залечивать трещины. Мы придумали систему, которая основана на реакции Дильса — Альдера. Она позволяет заново образовывать химические связи между поверхностью трещины. Но для этого нам нужно изделие термоциклировать, то есть нагреть, охладить и выдержать при определенной температуре. При этом у нас происходит постепенная, частичная деполимеризация, расшивание материала: компоненты этого материала начинают обладать небольшой текучестью, они заполняют эту трещину. После этого в определенных условиях возникают химические связи между компонентами матрицы. Самое главное достижение в том, что это можно делать достаточно большое количество раз. Сами условия, в которых происходит такое восстановление, пока недостаточно оптимальны. Это длительный процесс, который занимает несколько дней. Мы работаем над тем, чтобы сократить время самовосстановления, чтобы довести все до реального применения.

На рынке сейчас существуют только самовосстанавливающиеся покрытия. Это достаточно легкая задача по сравнению с тем, что делаем мы. Это покрытия, которые восстанавливают гладкость, если вы их поцарапали. И это легко сделать, потому что от них не требуется быть механически прочными; главное — иметь возможность эту трещину закрыть. Вы можете, например, купить для своего автомобиля полиуретановую пленку, покрыть его. Если у вас камень поцарапал автомобиль, она сама восстанавливается под действием ультрафиолета. Но наша задача более амбициозная: сделать материал конструкционный, то есть чтобы крыло автомобиля, сделанное из углепластика, при повреждении могло само восстановиться. Это направление исследований достаточно новое: только 15–20 лет назад появились первые работы. Существует масса подходов, которые можно использовать. Мы выбрали для себя, как нам кажется, наиболее оптимальный подход, достаточно элегантный с химической точки зрения.

Вторым направлением можно было бы сочетать свойства самовосстановления с вторичной переработкой. В идеале нужно сделать реактопласт, который можно было бы вторично перерабатывать. Дело в том, что углепластиков и стеклопластиков становится много: из них делают не только самолеты или капоты автомобилей, но и все ветряки, которые стоят в Европе или Америке. Это огромное количество мусора. Мы продлеваем самовосстановлением срок эксплуатации материала, но он не бесконечен, и в конце мы получаем мусор. Реалистичной перспективой видится отделение волокна. Это уже было бы достаточно неплохо, потому что углеродное волокно более дорогой компонент, нежели связующие. Его можно было бы вторично использовать в таких же важных вещах.

Над материалом работали

Читайте также

Внеси свой вклад в дело просвещения!
visa
master-card
illustration