Новый универсальный углепластик приблизился по характеристикам к железобетону

Композиты представляют собой многокомпонентные системы, где в толщу так называемой матрицы внедрен армирующий наполнитель — и тех, и других модет быть даже несколько. Варьируя качественный и количественный состав такого материала, можно придать ему превосходные характеристики (высокую прочность, растяжимость, устойчивость к кислотам и щелочам и так далее) и настроить их под конкретную задачу, например, приблизив механические свойства к таковым у человеческой кости и сделав их идеальной основой для имплантата. В результате композиты способные заменить практически все остальные известные материалы, в том числе и вездесущие металлы.

Сотрудники Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого совместно с коллегами из Института высокомолекулярных соединений запатентовали новую установку для получения необычного универсального композита. Полимер в виде порошка заряжается электрически, затем превращается в псевдожидкость, через которую пропускаются волокна. Таким образом, частички порошка облепляют волокна и проникают между ними, затем порошок плавится, превращаясь в густую жидкость, похожую на мед. Она твердеет, и получается композит в виде гранул.

«Мы создали очень близкий по физическим свойствам к железобетону композит, состоящий из полимера, грубо говоря, из пластика, и углеродных волокон. Пластик в композите отвечает за сжатие, а волокна — за растяжение. Стандартные технологии позволяют добавлять волокна, которые разрублены на мелкие кусочки, длиной в доли миллиметров — 300 микрон и даже меньше — это делается для равномерного распределения по материалу. Нам удалось увеличить длину волокон до нескольких миллиметров, тем самым придав материалу отличную прочность, сопоставимую с металлами», — поделился ведущий научный сотрудник научно-образовательного центра «Биомеханики и медицинской инженерии» Высшей школы теоретической механики и математической физики, Физико-механического института СПбПУ Игорь Радченко.

Изготавливать конечные продукты из композита можно традиционным литьем, но авторы также разрабатывают нить для 3D-принтеров. Сейчас есть уже несколько пробных деталей — небольших лопаток, с их помощью специалисты описывают и измеряют физические характеристики композита.

По словам ученых, правильно подготовленная смесь пластика и волокна позволяет получать наилучшие характеристики: термостойкость, прочность, долговечность, легкость, а также способность переносить ультрафиолетовые лучи, радиацию и химическое воздействие. Благодаря этому пластиковые композитные изделия становятся дешевле, технологичнее, удобнее и проще в изготовлении.

«С точки зрения экономической выгоды, если сравнивать с металлом, то ключевым здесь будет эксплуатационный период. Очень часто металлы очень дороги в обслуживании и ремонте, а пластик, который получили мы, ремонтировать практически не придется. Еще один фактор — доступность малотиражности. При использовании металла выгодно делать только большое количество серийных деталей, а если вы захотели сделать как-то по-другому, что-то изменить — нужно перестроить много станков, изменить технологические процессы, что очень долго и дорого. Из нашего композита можно легко и быстро делать разные прототипы и даже малые серии за счет использования аддитивных технологий и, как следствие, легкой перенастройки используемого оборудования», — рассказал Игорь Радченко.

Композит потенциально может применяться в самых разных областях — от медицины до машиностроения и даже аэрокосмической промышленности.