Самовідтворюваними матеріали метали, кераміка і полімери

У науково - фантастичних фільмах нам величезну кількість раз показували, як затягувалися рани вже, здавалося б, абсолютно переможеного кіборга (варіанти - монстра, воїна в чарівних обладунках та ін.). Зовсім це фантастика? І так, і ні, і це вже досить довго обговорюється (але поки не продається, навіть і не чекайте). Йдеться про самовідновлюються матеріалах, які працюють за принципом - якщо сам не подбаєш про себе, то хто ж ще це зробить?

Самовідтворюваними матеріали - це матеріали, здатні частково або повністю відновлювати завдані їм ушкодження, наприклад, що утворилися тріщини. Одним з їх найвидатніших властивостей біологічних матеріалів є здатність до самовідновлення і регенерації своїх функції після отримання зовнішніх механічних пошкоджень. У природі самовідновлення може відбуватися як на рівні одиничних молекул (наприклад, відновлення ДНК), так і на макрорівні: зрощення зламаних кісток, загоєння пошкоджених кровоносних судин і т.д. Ці процеси знайомі всім, однак, матеріали, виготовлені людиною, в більшості випадків не мають подібної здатністю до самовідновлення (хоча б тому, що «живими» вони не є).

Штучні матеріали розробляються виходячи з парадигми «запобігання пошкодження», а не «управління пошкодженням». При цьому, безперечно, самовідтворюваними матеріали відкрили б величезні можливості, особливо в тих випадках, коли в важкодоступних зонах необхідно забезпечити надійність матеріалів на якомога більш тривалий термін. Крім того, «самозаживления» було б ідеально для матеріалів, схильним до пошкоджень, наприклад, у випадках з поверхневими покриттями.

Для інженерних цілей розробляються різні стратегії і підходи для створення самовідновлюються матеріалів. Дослідження проводяться, зокрема, для металів, кераміки і полімерів. Необхідною умовою для самовідновлення пошкодження є формування рухомої фази, яка зможе «затягнути» тріщину (рис. 1). Залежно від використовуваного матеріалу може змінюватися необхідна температура: температура навколишнього середовища для бетону, низькі температури (<120°C) для полимеров (и их соединений), высокие температуры для металлов (<600°C) и керамики (> 800 ° C).

Рис.1. Загальний принцип самовідновлення матеріалів.

a) Механічний вантаж викликає тріщину; b) Збільшене зображення тріщини; с) Поява "рухомої фази"; d) Закриття тріщини "рухомою фазою"; e) Іммобілізація (створення нерухомості пошкодженої області) після відновлення.

Самовідтворюваними матеріали можуть бути розділені на два різних класи (в залежності від застосовуваного механізму ініціювання та природи процесів самовідновлення): автономні і неавтономні. Для неавтономних самовідновлюються матеріалів потрібні зовнішнє ініціювання, наприклад, висока температура або світло. У разі ж автономного самовідновлення матеріали не вимагають ніякого додаткового зовнішнього імпульсу, саме пошкодження і є імпульсом до відновлення.

Також може бути виділено ще одна властивість відповідного процесу самовідновлення для відмінності підкласу матеріалів, а саме: <зовнішнє> (процес відновлення заснований на якихось зовнішніх відновлюють компонентах, таких як мікро - або нанокапсули, спеціально впроваджених в матрицю матеріалу) і <внутрішнє> (НЕ передбачає наявності будь-яких окремих відновлюють складів) ініціювання самовідновлення.

Мал. 2. Самовідновлення за допомогою мікрокапсул.

Експеримент показав, що ні сферична капсула, ні порожнисті структури не є ідеальними для досягнення високої ефективності відновлення. Набагато більша ефективність відновлення може бути досягнута при використанні подовжених капсул із співвідношенням сторін 1:10. Також для відновлення полімерів можуть застосовуватися і інші механізми ініціювання (електричне, електромагнітне, балістична, фотоініціації).

У порівнянні з ковалентними зв'язками, слабкі взаємодії, такі як водневі зв'язку, швидше за все, дадуть можливість отримати потенційні самовідтворюваними матеріали. Яскравий приклад автономного самовідновлюється полімеру - олігомерного термопластичний еластомер. Після пошкодження потрібно просто притиснути один до одного поверхні розлому, і матеріал відновиться (рис.3).

Мал. 3. Автономне самовосстанавленіе олігомерного термопластичного еластомеру.

Один із прикладів самозаживления кераміки - самовідновлюватися окислення SiC-кераміки. Активний наповнювач, впроваджений в матрицю, окислюється проникаючим киснем, тим самим утворений SiO2 повністю закриває тріщину (рис. 4).

На жаль, лише дуже мало може бути знайдено прикладів успішних розробок в сфері самозаживления металів. Це пов'язано з тим що самозаживления в металах-процес набагато складніший і важчий, ніж в інших класах матеріалів.

Мал. 4. Самовідновлення тріщини шляхом окислення SiC-кераміки.

Таким чином, необхідні подальші дослідження в області самовостанавлівающіхся матеріалів. Зокрема, необхідна розробка таких матеріалів, які, крім механічних властивостей, відновлювали б і інші властивості (провідність і т.д.) після пошкодження, а також існує складна задача щодо розробок самовідновлюються наноструктур.

... Але все ж надія вмирає останній, як і найкращий самовідновлюється матеріал (в прямому сенсі).

Редакція оплачує на договірній основі
технічні статті, маркетингові звіти, рецептури, огляди ринку
і іншу галузеву інформацію та права не її розміщення

Повне або часткове використання будь-яких матеріалів, розміщених на Plastinfo.ru,
в ЗМІ, друкованих виданнях, маркетингових звітах, дозволяється тільки за умови посилання
на «Plastinfo.ru» і в деяких випадках вимагає письмового дозволу ТОВ Пластінфо