Новые материалы как перспективная химическая продукция

Введение

 Прорыв в новые  области знаний, технологий, создание  изделий с требуемыми свойствами, резкое улучшение экономических  показателей, обретение технико-экономической  независимости вследствие отказа  от использования традиционно  приемлемых материалов - все это  возможно только благодаря новым  полимерным композиционным материалам (ПКМ).

 Композиционные материалы (композиты) – многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих.

 Волокнистые композиты  армированы волокнами или нитевидными  кристаллами – кирпичи с соломой  и папье-маше можно отнести  как раз к этому классу композитов. Уже небольшое содержание наполнителя  в композитах такого типа приводит  к появлению качественно новых  механических свойств материала.  Широко варьировать свойства  материала позволяет также изменение  ориентации размера и концентрации  волокон. Кроме того, армирование  волокнами придает материалу  анизотропию свойств (различие  свойств в разных направлениях), а за счет добавки волокон  проводников можно придать материалу  электропроводность вдоль заданной оси.

Новые материалы  как перспективная химическая продукция

 Одно из важнейших  направлений, определяющих развитие  всех отраслей промышленности, строительства,  медицины и сферы услуг –  это новые материалы. Изменения  укладов жизни человечества связаны  с открытием и освоением производства  новых материалов. Материалы –  это ступени нашей цивилизации,  а новые материалы – это  трамплин для прыжка в будущее, меняющий облик нашего бытия.

 Когда мы говорим  о критериях, определяющих приоритетные, критические технологии (качество  жизни, безопасность, конкурентоспособность  и т.д.), одним из важнейших критериев  является такая характеристика  технологии – как способность  коренным образом изменить, “перевернуть”  всю структуру производства, а  возможно, и социальных условий  жизни человечества. К таким технологиям,  вероятно, относятся информационные  технологии, биотехнологии, генная  инженерия. К этим же технологиям  относятся и технологии получения  новых материалов. По экспертным  оценкам в ближайшие 20 лет 90% материалов будут заменены принципиально  новыми, что приведет к революции  в различных областях техники.  О перспективности работ по  новым материалам свидетельствует  и тот факт, что почти 22% мировых  патентов выдаются на изобретения  в этой области. Об этом же  говорит и динамика роста мировых  рынков основных видов новых  материалов до 2000 года. Особенно  заметен прогресс в разработке  производстве неорганических материалов  – это керамика, материалы для микроэлектроники и пр.

 Солидный научный  задел российских ученых и  их самоотверженный труд в  условиях тяжелейшей финансовой  ситуации позволяет России до  сих пор сохранять достаточно  высокий научно-технический потенциал  в этой области разработок. Сравнительные  оценки независимых экспертов  показывают, что в области новых  материалов Россия имеет общий  высокий уровень и приоритетные  достижения в отдельных областях. Наиболее высок уровень разработок  по композиционным, полимерным, и  сверхтвердым материалам, несколько  ниже – по керамическим материалам, но ни по одному направлению Россия не имеет значительного отставания от мирового уровня, и по каждому из направлений имеет разработки, не уступающие мировым. По оценкам Группы по пересмотру национальных критических технологий США при Белом доме возможности России в области технологий материалов по ряду направлений равны возможностям промышленно развитых стран. Таким образом, в России сохранена база разработки и производства новых материалов. В 33 регионах России успешно работают около 200 научных коллективов, способных разрабатывать новые материалы и технологии их изготовления на уровне, отвечающем современным требованиям.

 Мы все вступаем  в ХХI век и целесообразно рассмотреть  требования этого века в технологиям получения материалов. Для развития техники высоких температур необходимы композиционные материалы (КМ) на основе углеродных волокон (УВ), углеродных и карбидо–углеродных матриц. Основные требования к таким КМ в настоящее время и, особенно, в недалеком будущем сведутся к следующему:

 В двигателях  современных и будущих ракет,  в системах управления вектором  тяги, наконечниках и кромках  крыльев в слабоокислительной атмосфере требуются материалы с рабочей температурой до 4000° С, прочностью до 200 МПа и с плотностью не более 2 г/см3, что исключает использование жаропрочных сплавов.

 В авиационных  газотурбинных двигателях (ГТД) необходимы  материалы с рабочей температурой  до 2000° С, прочностью до 250 МПа, коэффициентом температурного расширения близким к нулю, временем эксплуатации в сильно окислительной атмосфере до 1000 час.

 Для изготовления  тормозных дисков авиационных  колес необходимы фрикционные  материалы прочностью до 150 МПа,  с коэффициентом трения до 0,35, с рабочей температурой до 1800° С.

 Понятно, что  получить такие характеристики  материалов невозможно только  путем применения существующих углеродных волокон.

 К числу значительных  достижений России в области  создания таких материалов следует отнести:

 – алюминий–литиевые сплавы, обеспечивающие снижение веса авиационных конструкций на 15–20% (разработки США только сейчас приблизились к нашим достижениям);

 – направленно  закристаллизованные жаропрочные  эвтектические сплавы, представляющие  собой естественные композиционные  материалы, в которых впервые  в истории развития конструкционных  материалов реализована теоретическая  прочность волокон нитевидных кристаллов;

 – технологии  и оборудование высокоградиентной направленной кристаллизации жаропрочных сплавов с монокристаллической структурой для охлаждаемых рабочих лопаток газовых турбин, обеспечивающие получение ультратонкой дендритной структуры.

Композиционные материалы

 КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ (композиты) – многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик.

 То, что малые  добавки волокна значительно  увеличивают прочность и вязкость  хрупких материалов, было известно  с древнейших времен. Во времена  египетского рабства евреи добавляли  солому в кирпичи, чтобы они  были прочнее и не растрескивались при сушке на жарком солнце.

 Подобные технологии  существовали у многих народов.  Инки использовали растительные  волокна при изготовлении керамики, а английские строители до  недавнего времени добавляли в штукатурку немного волоса.

 Другой композит, известный еще в Древнем Египте, содержал намного больший процент  волокон, чем египетские кирпичи.  Оболочки для египетских мумий  делали из кусков ткани или  папируса, пропитанных смолой или  клеем. Этот материал (папье-маше) был заново открыт только в  18 в. (вместо папируса использовались куски бумаги) и был популярен до середины 20 в. Из папье-маше делали игрушки, рекламные макеты, а иногда даже мебель.

 Пожалуй, в  каждом современном доме найдутся  предметы мебели, сделанные из  распространенного в наши дни  композиционного материала –  древесно-стружечных плит (ДСП), в  которых матрица из синтетических  смол наполнена древесными стружками  и опилками. А наиболее известным  на сегодняшний день композитом, вероятнее всего, является железобетон.  Сочетание бетона и железных  прутьев дает материал, из которого  сооружают конструкции (пролеты  мостов, балки и т.п.), которые выдерживают  большие нагрузки, вызывающие растрескивание обычного бетона. Интересно, что первыми применять железо в качестве арматуры стали древние греки, причем армировали они мрамор. Когда архитектору Мнесиклу в 437 до н.э. понадобилось перекрыть пролеты длиной в 4–6 м, он замуровал в специальных канавках в мраморных плитах двухметровые железные стержни, чтобы перекрытия справились с напряжениями.

 Компонентами  композитов являются самые разнообразные  материалы – металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и т.п.  Известны многокомпонентные композиционные  материалы – полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители. Наполнитель определяет прочность, жесткость и деформируемость материала, а матрица обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе и стойкость к различным внешним воздействиям.

Структура композиционных материалов

 По структуре  композиты делятся на несколько  основных классов: волокнистые,  слоистые, дисперсноупрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты. Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами – кирпичи с соломой и папье-маше можно отнести как раз к этому классу композитов. Уже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к появлению качественно новых механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации размера и концентрации волокон. Кроме того, армирование волокнами придает материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях), а за счет добавки волокон проводников можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси.

 В слоистых  композиционных материалах матрица  и наполнитель расположены слоями, как, например, в особо прочном стекле, армированном несколькими слоями полимерных пленок.

 Микроструктура  остальных классов композиционных  материалов характеризуется тем,  что матрицу наполняют частицами  армирующего вещества, а различаются  они размерами частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер  больше 1 мкм, а содержание составляет 20–25% (по объему), тогда как дисперсноупрочненные композиты включают в себя от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов – нового класса композиционных материалов – еще меньше и составляют 10–100 нм.

Полимерные композиционные материалы (ПКМ)

 Композиты, в  которых матрицей служит полимерный  материал, являются одним из самых  многочисленных и разнообразных  видов материалов. Их применение  в различных областях дает  значительный экономический эффект. Например, использование ПКМ при  производстве космической и авиационной  техники позволяет сэкономить  от 5 до 30% веса летательного аппарата. А снижение веса, например, искусственного спутника на околоземной орбите на 1 кг приводит к экономии 1000$. В качестве наполнителей ПКМ используется множество различных веществ.

 А) Стеклопластики  – полимерные композиционные  материалы, армированные стеклянными  волокнами, которые формуют из  расплавленного неорганического  стекла. В качестве матрицы чаще  всего применяют как термореактивные  синтетические смолы (фенольные,  эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так  и термопластичные полимеры (полиамиды,  полиэтилен, полистирол и т.д.). Эти  материалы обладают достаточно  высокой прочностью, низкой теплопроводностью,  высокими электроизоляционными  свойствами, кроме того, они прозрачны  для радиоволн. Использование  стеклопластиков началось в конце Второй мировой войны для изготовления антенных обтекателей – куполообразных конструкций, в которых размещается антенна локатора. В первых армированных стеклопластиках количество волокон было небольшим, волокно вводилось, главным образом, чтобы нейтрализовать грубые дефекты хрупкой матрицы. Однако со временем назначение матрицы изменилось – она стала служить только для склеивания прочных волокон между собой, содержание волокон во многих стеклопластиках достигает 80% по массе. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом.

 Стеклопластики  – достаточно дешевые материалы,  их широко используют в строительстве,  судостроении, радиоэлектронике, производстве  бытовых предметов, спортивного  инвентаря, оконных рам для  современных стеклопакетов и  т.п. 

 Б) Углепластики  – наполнителем в этих полимерных  композитах служат углеродные  волокна. Углеродные волокна получают  из синтетических и природных  волокон на основе целлюлозы,  сополимеров акрилонитрила, нефтяных  и каменноугольных пеков и  т.д. Термическая обработка волокна  проводится, как правило, в три  этапа (окисление – 220° С, карбонизация – 1000–1500° С и графитизация – 1800–3000° С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5% по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков – чаще всего – термореактивные и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики – очень легкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все углепластики хорошо проводят электричество, черного цвета, что несколько ограничивает области их применения. Углепластики используются в авиации, ракетостроении, машиностроении, производстве космической техники, медтехники, протезов, при изготовлении легких велосипедов и другого спортивного инвентаря.