Композиційні матеріали перспективи застосування

Учасники конференції, серед яких були як спеціалісти Бауманського університету, так і співробітники великих підприємств та організацій, що працюють у галузі композиційних матеріалів чи суміжних областях, обговорювали питання розробки, виробництва композиційних матеріалів та нових галузей їх застосування.

Композитами називають матеріали зі складною структурою, які складаються із двох і більше компонентів, що мають різні властивості. В результаті їх складання композиційний матеріал набуває принципово нових властивостей, відмінних від властивостей компонентів, що входять до нього. Композити, в яких матрицею служить полімерний матеріал, є одним із найчисленніших і різноманітних видів матеріалів.

Сьогодні полімерні композиційні матеріали (ПКМ) використовують практично у всіх галузях народного господарства. Це суднобудування, будівництво, мостобудування, біомедицина, енергетика, нафтохімія, двигунобудування, транспорт, сільгосптехніка, дорожня інфраструктура та ін. Області їх застосування продовжують розширюватися. Багатофункціональність використання виробів з композитів обумовлена появою нового покоління ПКМ, яке має більш високі характеристики по міцності та вазі, по зносо- та корозійній стійкості, ремонтопридатності, критерію якість-ціна та ін. матеріалів та нових технологій виробництва виробів із них. Так, наприклад, нові технології виробництва дозволяють без автоклавів та складних енергоємних машин, за допомогою лазерного затвердіння виготовляти практично необмежені за розміром вироби і абсолютно по-новому вирішувати багато завдань як у літако- і гелікоптеробудуванні, так іу виробництві цивільної техніки, в енергетичному машинобудуванні та ін.

На конференції обговорювалися такі теми, як проектування виробів із композитів на сучасному науково-технологічному етапі, автоматизація розрахунків, аспекти впровадження цифрових технологій при підготовці виробництва виробів із ПКМ, а також проблеми оцінки ефективності нових галузей, де застосовуються композиційні матеріали.

Перспективні галузі масового застосування ПКМ

До полімерних композитів, які вже отримали широке цивільне застосування, відносяться склопластики - полімерні композиційні матеріали, армовані скляними волокнами, які формують з розплавленого неорганічного скла. Ці матеріали мають досить велику міцність, низьку теплопровідність, високі електроізоляційні властивості. Сьогодні їх виготовляють труби для корозійностійких технологічних трубопроводів, дренажні труби, трубопроводи для ЖКГ, труби для нафтогазового комплексу, елементи очисних споруд, накопичувальні, пожежні, хімічно стійкі ємності, будівельну арматуру. Полімерні композити широко використовують у будівництві, суднобудуванні, радіоелектроніці, виробництві побутових предметів, спортивного інвентарю та ін.

Серед перспективних напрямів, які передбачають масове використання композиційних матеріалів, називалися ремонт будівель, споруд, мостів, залізничних платформ. З урахуванням цих перспектив у ВАТ «НДАТ» розроблено технологію модернізації залізничних платформ з використанням композитів. Настил такої платформи складається з набору композиційних панелей, які встановлюються на збірний каркас з поліефірних пултрузійних склопластикових профілів. Для більш важких кліматичних умов розроблено варіант конструкціїнастилу з композитобетону. Панелі платформи встановлюються на бетонну основу за допомогою телескопічних стояків, які дозволяють регулювати висоту платформи в необхідному діапазоні. Однією з головних переваг цієї технології є низькі витрати на логістику, оскільки панелі мають невелику вагу і можуть поставлятися на місце монтажу будь-яким видом транспорту.

У ВАТ «НІАТ» також ведеться розробка методичних рекомендацій щодо дослідного застосування композиційної арматури посилення залізобетонних конструкцій мостів. Загалом, на думку фахівців, мостобудування є однією із перспективних областей застосування ПКМ. У нашій країні сьогодні необхідно збудувати близько 160 тис. мостів і близько 80 тис. потребують ремонту. І тут композити дають дуже ефективні рішення. Адже вага мостових конструкцій із композитів у п'ять разів легша, вони вимагають менше експлуатаційних витрат, а експлуатаційний ресурс у них вищий. Науково-практичні роботи у цьому напрямі ведуться також у ФГУП «ВІАМ».

МДТУ ім. Баумана спільно з ФГУП «ВІАМ» реалізують проект з розробки та організації виробництва опор ЛЕП та великогабаритних силових будівельних конструкцій із наномодифікованих композиційних матеріалів. Одним із ефектів модифікації наночастинками є збільшення фізико-механічних та експлуатаційних характеристик ПКМ. Мета проекту - розробка конструкцій, які мають, порівняно з аналогами, більш високу несучу здатність при менших масах, трудомісткості виготовлення та вартості організації промислового виробництва. Співробітниками ВІАМ вже розроблено наномодифіковану сполучну та відпрацьовану технологію отримання склопластиків на його основі методами вакуумної інфузії та намотування.

Новий наномодифікований полімерний композиційний матеріал можевикористовуватися виготовлення будівельних елементів великогабаритних силових конструкцій, які працюють при температурах від -60°С до +65°С. З нього можна створювати типові швидкобудуюємі конструкції для вирішення широкого спектра завдань у будівництві, електроенергетиці та нафтогазовій промисловості. Це можуть бути типові вертикальні колони, будівельні конструкції, що швидко зводяться, мости, опори ліній електропередач, силові елементи швидкомонтованих мостів і несучих перекриттів будівельних споруд, трубопроводи та ін.

ПКМ у медицині

У світі щорічно проводиться понад 400 тис. операцій із заміни різних кісток та суглобів. І основним матеріалом, що у цих випадках застосовується, є метал. Але за допомогою металів не можна вирішити такі проблеми, як загоєння сколів, каверн, які виникли внаслідок якихось травм або запальних процесів. В даний час на світовому ринку імплантаційних матеріалів не існує такого матеріалу, який задовольняв би всі необхідні біологічні, фізико-хімічні та механічні вимоги кісткової хірургії. У зв'язку з цим розробка нових кістково-заміщувальних матеріалів, технологій їх виготовлення та методів застосування є надзвичайно важливим завданням. Її рішенням взялися до НОЦ «НМКН» (ІЦ) МДТУ ім. н.е. Баумана та розробили нові біокомпозити на основі модифікованого полівінілового спирту та неорганічного наповнювача.

Кістка по суті є природним біокомпозитом. До складу кісткової тканини входять природний біополімер колаген і наповнювач - гідроксифосфат кальцію, що за структурою близький до гідроксиаппатиту.

Метою роботи, виконаної фахівцями НЗЦ «НМКН» (ІЦ) МДТУ ім. н.е. Баумана була розробка матеріалу, який дозволить закривати каверни, тріщини, пошкодження всередині.кісток і поступово, у міру відновлення, замінюватиметься природною кістковою тканиною.

Як органічна матриця в новому матеріалі були використані гідрогелі на основі модифікованого полівінілового спирту. На базі таких гідрогелів вже створено величезну кількість матеріалів, зокрема неткані матеріали для ранового захисту та інші, які були досліджені в різних інститутах.

В якості наповнювача були використані біологічно сумісні фосфатні скла, частинки яких попередньо подрібнені до нанорозмірів для того, щоб могли перероблятися гідроксиаппатит, з якого і побудована кісткова тканина.

Після випробування на механічну міцність зразків нового біокомпозиту МГТУ ім. н.е. Баумана матеріал буде спрямований на випробування у НДІ швидкої допомоги ім. Н.В. Скліфосовського.

Біосировина для ПКМ