Самовосстанавливающиеся материалы
Вплоть до двадцатого века перечень знакомых человечеству материалов был относительно невелик. Все компоненты для этих материалов брались из природных источников и подвергались несложной по нынешним меркам обработке. Возможности камня, дерева, металла и даже бумаги были общеизвестны, но при этом ограничены. В двадцатом столетии ситуация в корне изменилась.
Огромные успехи такой науки, как химия, позволили людям научиться создавать материалы из самых разных компонентов, комбинировать их и наделять невиданными доселе свойствами. К примеру, обычные материалы обладают устойчивыми, неизменными свойствами, такими как форма, цвет, твёрдость и др. А новые материалы оказались способны изменять те или иные свои свойства. К примеру, появились материалы, способные запоминать приданную им форму и при последующей обработке возвращаться в исходное состояние. Одним из первых таких материалов был нитинол – сплав никеля и титана, который запоминает свою форму после термической обработки. Нитинол создавался трудами нескольких поколений учёных из разных стран – Швеции, ССР, США; а позднее подобные свойства были открыты и у других сплавов.
Другие материалы способны, к примеру, менять цвет при определённых обстоятельствах – например, при наличии в окружающем пространстве каких-либо примесей.
Нередко подобные материалы сами по себе являются конечными изделиями. Упомянутые материалы, меняющие цвет при обнаружении определённого вещества, по сути являются датчиками, и с ними нет нужды проводить какие-либо дополнительные манипуляции: достаточно лишь посмотреть на него и получить всю необходимую информацию. Таким образом, границы между «материалом» и «конечным изделием» в каком-то смысле размываются.
Одно из перспективных направлений в разработке инновационных материалов заключается в их возможности к самовосстановлению. Если изделие из того или иного материала применяется на практике, то рано или поздно оно получит повреждения – без этого никакая практическая деятельность не обходится. Но эту ситуацию можно исправить, создавая материалы, способные самостоятельно «залечивать» свои раны. Такая работа ведётся достаточно давно, и сегодня исследователи могут представить несколько способов создания таких материалов.
Один из них – примесный. Он состоит в том, что внутри полимерного материала содержатся микроскопические капсулы, заполненные жидким мономером. Когда материал повреждается, капсулы в этом месте разбиваются, вытекшая жидкость заполняет трещины, контактирует с воздухом и полимеризуется. Вместо воздуха роль «контактёра» может играть катализатор, введённый в состав полимера. А вместо капсул может использоваться сетка из полых трубок, которая внедряется в полимерную основу.
Примесный способ самовосстановления достаточно простой в изготовлении, но он имеет ряд проблем и недостатков. Например, самовосстановление в этом случае получается однократным. Если в одном и том же месте повреждение произошло второй раз, то оно не залечится – жидкость-то вытекла во время первого повреждения. Другая проблема состоит в том, что капсулы или трубки, введённые в матрицу, сами по себе ухудшают её механические свойства, материал делается более хрупким и непрочным. Возникает мучительный выбор: либо делать больше капсул, и тогда материал станет непрочным, либо капсул делать меньше, но тогда получается меньшая вероятность того, что при повреждении трещина заполнится мономером.
В связи с этим более перспективным кажется второй способ самовосстановления – беспримесный. При этом структура материала заранее проектируется таким способом, чтобы его компоненты могли образовывать обратимые химические связи. К примеру, после нагревания связи между компонентами нарушаются, а при остывании они вновь восстанавливаются. В этом случае повреждения на одном и том же месте могут происходить бесконечное количество раз, и всегда они будут самоустраняться.
Один из методов создания такого материала – внедрение в неё двух сеток, проникающих друг в друга. Первая сетка образует прочную устойчивую химическую связь, а вторая – обратимую. При повреждении одну из этих сеток можно «расшить», нарушив её связи, тогда её составляющие растекаются и заполняют трещину; затем сетка снова «сшивается», образуя прежнюю связь, и таким образом рана залечивается. Сшивка и расшивка производятся с помощью каких-либо простых воздействий – например, нагреванием или облучением.
Однако и у таких материалов есть недостатки. Трещины, которые они могут залечивать самостоятельно, имеют очень маленькие размеры – обычно не более 300 микрометров. С этим сталкиваются производители углепластиков и стеклопластиков. В этих материалах основная прочность заключена в углеродных волокнах; прочность же полимерной матрицы невысока. Задача матрицы в таких материалах – равномерно распределять нагрузку по всей поверхности. Если повреждение достигает углеродного волокна, то оно становится необратимым – такую рану уже невозможно залечить. Поэтому перспективной задачей в дальнейшем изучении таких углеродных материалов является разработка способов залечивания незначительных повреждений в самом начале, пока они не успевают распространяться.
Кроме того, углепластики и другие подобные материалы ведут себя непредсказуемо, а повреждения в них чаще всего не видны простым глазом. Поэтому, например, в широкое авиационное производство они до сих пор не внедряются, несмотря на то, что значительно легче и прочнее традиционных авиационных металлов. К примеру, если
С углепластиками такой номер не пройдёт. Если на таком материале образовалось микроскопическое повреждение, то этого не заметят ни сами рабочие, ни аппаратура. Между тем это микроскопическое повреждение приводит к полной потере прочности материала и его быстрому разрушению. Такова деламинация – один из основных типов повреждений, когда расходятся между собой соседние слои углеродной ткани. Предсказать поведение углепластика при каком-либо воздействии на него не представляется возможным.
Лишь недавно, уже в новом тысячелетии, свойства углепластиков хоть немного научились предсказывать. Учёные осмелели настолько, что уже производят первый гражданский самолёт, состоящий из углепластика. Однако весь он обвешан огромным количеством датчиков, контролирующих состояние материала; с металлическим корпусом такая манипуляция не нужна. Получается, что приобретая новые возможности благодаря инновационным материалам, мы сталкиваемся и с новыми проблемами.
Однако наука не стоит на месте. Исследователи разрабатывают материалы, которые не требуют большого количества датчиков. Ожидается, что у таких материалов будет определённый срок службы, в течение которого с ними гарантированно ничего не произойдёт. По истечении этого срока изделие должно проходить регулярное техобслуживание, замеченные повреждения восстанавливаются – и им можно пользоваться снова. Такими материалами могут быть полимерные композиты.
Полимеров существует великое множество, и все они делятся на термопласты и реактопласты. Первые можно перерабатывать с помощью плавления. Таков, к примеру, полиэтилен. Его можно плавить бесконечное количество раз и производить новые изделия. Однако есть у таких материалов и недостаток – они непрочные. И чем проще расплавить полимер, тем более низкой прочностью он обладает.
Второй тип полимеров – реактопласты. Это обычно жидкие материалы, компоненты которых необходимо смешивать, после чего они образуют плотный твёрдый слой, который уже не плавится. С одним таким материалом многие хорошо знакомы – это эпоксидка. Застывшие реактопласты остаются в таком виде навсегда, у них очень высокая прочность. Из них и производятся углепластики и стеклопластики. Но и у них есть своя слабая сторона, которая является обратной стороной достоинства: из-за их высокой прочности они не подлежат вторичной переработке. Изделия из реактопластов невозможно переплавить и произвести новое изделие; максимум, что можно с ними сделать – это измельчить в крошку и закатать в асфальт. Ещё одна проблема таких материалов – трудность борьбы с дефектами: если они появились, то устранить их весьма проблематично. Исследователи пытаются избавиться от этого недостатка. Они разрабатывают полимеры, способные к самостоятельному залечиванию дефектов. Правда, происходит это не совсем самостоятельно: изделие нужно нагреть, остудить и выдержать какое-то время при определённой температуре. При этом поверхность изделия частично разрушает свою полимерную структуру, переходит в сжиженное состояние, но затем при определённых условиях изначальную структуру восстанавливает.
Процесс, как видим, относительно трудоёмкий; но он ещё и медленный — на залечивание одной трещины уходит несколько дней. Этого недостаточно, чтобы внедрять такие полимеры в массовое производство, например, для лабораторной техники, типа холодильников. В будущем, вероятно, эта проблема будет решена, и восстановление таких материалов будет производиться достаточно быстро.
Некоторые типы самовосстанавливающихся материалов уже имеются на рынке. Но это в основном покрытия, требования к которым минимальны. Такова, например, полиуретановая плёнка, которая способна самостоятельно заглаживать царапины на себе под действием освещения. Такие материалы даже не должны быть особо прочными. Из-за этого они достаточно просты в производстве и доступны массовому потребителю. Однако исследователи хотят сделать нечто большее. Они намереваются выпустить в продажу материалы, которые могут самостоятельно и без всякого дополнительного воздействия бороться с повреждениями, причём с более серьёзными, чем царапины.
Ещё одно направление – разработка реактопластов, которые можно было бы вторично перерабатывать – совсем как термопласты. Такая задача становится насущной, поскольку углепластиков и стеклопластиков сейчас становится много. Из них делают не только авиационные и космические изделия, но и ряд бытовых – например, ветряки, которые в изобилии распространены в Америке и Европе. Повреждённые и отслужившие свой срок подобные изделия становятся мусором, который пока ещё невозможно адекватно переработать. В то время как вся планета озабочена экологическими проблемами и пытается избавляться от пластикового мусора с помощью переработки, реактопласты становятся камнем преткновения. Эту ситуацию необходимо менять, и как можно скорее.
Как можно реализовать вторичную переработку реактопластов? Наиболее перспективным решением становится отделение углеродного волокна от связующей матрицы. Смысл в том, что углеродное волокно является дорогостоящим материалом, поэтому имеет высокую ценность, из-за чего любая возможность добыть его из отслуживших свой срок изделий становится весьма важной. Связующие же компоненты – более простой в изготовлении, дешёвый и доступный компонент, поэтому слишком большой нужды в нём нет.
В идеале реактопласты нового поколения будут совмещать самовосстановление с возможностью вторичной переработки. Обладая способностью самозалечивания, изделия из них могут прослужить достаточно долго, а это обеспечивает им высокую практичность. Но продолжительность «жизни» даже таких изделий
