26 февраля в рамках 6-ой Международной специализированной выставки «Композит-Экспо - 2013» прошла конференция «Новые материалы, композиты и нанотехнологии», организованная ФГУП «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана».
Участники конференции, среди которых были как специалисты Бауманского университета, так и сотрудники крупных предприятий и организаций, работающих в области композиционных материалов или смежных областях, обсуждали вопросы разработки, производства композиционных материалов и новых областей их применения.
Композитами называют материалы со сложной структурой, которые состоят из двух и более компонентов, имеющих разные свойства. В результате их сложения композиционный материал приобретает принципиально новые свойства, отличные от свойств входящих в него компонентов. Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов.
Сегодня полимерные композиционные материалы (ПКМ) используются практически во всех отраслях народного хозяйства. Это судостроение, строительство, мостостроение, биомедицина, энергетика, нефтехимия, двигателестроение, транспорт, сельхозтехника, дорожная инфраструктура и др. Области их применения продолжают расширяться. Многофункциональность использования изделий из композитов обусловлена появлением нового поколения ПКМ, которое имеет более высокие характеристики по прочности и весу, по износо- и коррозионной стойкости, ремонтопригодности, критерию качество-цена и др. Более широкому применению ПКМ способствовало и появление новых подходов к разработке, проектированию материалов и новейших технологий производства изделий из них. Так, например, новые технологии производства позволяют без автоклавов и сложных энергоемких машин, с помощью лазерного отверждения изготавливать практически неограниченные по размеру изделия и совершенно по-новому решать многие задачи как в самолето- и вертолетостроении, так и в производстве гражданской техники, в энергетическом машиностроении и др.
На конференции обсуждались такие темы, как проектирование изделий из композитов на современном научно-технологическом этапе, автоматизация расчетов, аспекты внедрения цифровых технологий при подготовке производства изделий из ПКМ, а также проблемы оценки эффективности новых областей, где применяются композиционные материалы.
Перспективные области массового применения ПКМ
К полимерным композитам, получившим уже сегодня широкое гражданское применение, относятся стеклопластики - полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. Эти материалы обладают достаточно большой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами. Сегодня из них изготавливают трубы для коррозионностойких технологических трубопроводов, дренажные трубы, трубопроводы для ЖКХ, трубы для нефтегазового комплекса, элементы очистных сооружений, накопительные, пожарные, химически стойкие емкости, строительную арматуру. Полимерные композиты широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, спортивного инвентаря и др.
В числе перспективных направлений, предполагающих массовое использование композиционных материалов, назывались ремонт зданий, сооружений, мостов, железнодорожных платформ. С учетом этих перспектив в ОАО «НИАТ» разработана технология модернизации железнодорожных платформ с использованием композитов. Настил такой платформы состоит из набора композиционных панелей, которые устанавливаются на сборный каркас из пултрузионных полиэфирных стеклопластиковых профилей. Для более тяжелых климатических условий разработан вариант конструкции настила из композитобетона. Панели платформы устанавливаются на бетонное основание при помощи телескопических стоек, которые позволяют регулировать высоту платформы в требуемом диапазоне. Одно из главных преимуществ этой технологии - низкие затраты на логистику, так как панели имеют небольшой вес и могут поставляться на место монтажа любым видом транспорта.
В ОАО «НИАТ» также ведется разработка методических рекомендаций по опытному применению композиционной арматуры для усиления железобетонных конструкций мостов. В целом, по мнению специалистов, мостостроение является одной из перспективных областей применения ПКМ. В нашей стране сегодня необходимо построить около 160 тыс. мостов и около 80 тыс. требуют ремонта. И здесь композиты дают очень эффективные решения. Ведь вес мостовых конструкций из композитов в пять раз легче, они требуют меньше эксплуатационных затрат, а эксплуатационный ресурс у них выше. Научно-практические работы в этом направлении ведутся также и в ФГУП «ВИАМ».
МГТУ им. Баумана совместно с ФГУП «ВИАМ» реализуют проект по разработке и организации производства опор ЛЭП и крупногабаритных силовых строительных конструкций из наномодифицированных композиционных материалов. Одним из эффектов модификации наночастицами является увеличение физико-механических и эксплуатационных характеристик ПКМ. Цель проекта - разработка конструкций, которые обладают, по сравнению с аналогами, более высокой несущей способностью при меньших массе, трудоемкости изготовления и стоимости организации промышленного производства. Сотрудниками ВИАМ уже разработано наномодифицированное связующее и отработана технология получения стеклопластиков на его основе методами вакуумной инфузии и намотки.
Новый наномодифицированный полимерный композиционный материал может использоваться для изготовления строительных элементов крупногабаритных силовых конструкций, работающих при температурах от -60°С до +65°С. Из него можно создавать типовые быстровозводимые конструкции для решения широкого спектра задач в строительстве, электроэнергетике и нефтегазовой промышленности. Это могут быть типовые вертикальные колонны, быстровозводимые строительные конструкции, мосты, опоры линий электропередач, силовые элементы быстровозводимых мостов и несущих перекрытий строительных сооружений, трубопроводы и др.
ПКМ в медицине
В мире ежегодно проводится более 400 тыс. операций по замене различных костей и суставов. И основным материалом, который в этих случаях применяется, является металл. Но с помощью металлов нельзя решить такие проблемы, как заживление сколов, каверн, возникших в результате каких-то травм или воспалительных процессов. В настоящее время на мировом рынке имплантационных материалов не существует такого материала, который удовлетворял бы всем необходимым биологическим, физико-химическим и механическим требованиям костной хирургии. В связи с этим разработка новых костно-замещающих материалов, технологий их изготовления и методов применения является чрезвычайно важной задачей. Ее решением занялись в НОЦ «НМКН» (ИЦ) МГТУ им. Н.Э. Баумана и разработали новые биокомпозиты на основе модифицированного поливинилового спирта и неорганического наполнителя.
Кость по существу является природным биокомпозитом. В состав костной ткани входят природный биополимер коллаген и наполнитель - гидроксифосфат кальция, по структуре близкий к гидроксиаппатиту.
Целью работы, проделанной специалистами НОЦ «НМКН» (ИЦ) МГТУ им. Н.Э. Баумана, была разработка материала, который позволит закрывать каверны, трещины, повреждения внутри костей и будет постепенно, по мере восстановления, заменяться естественной костной тканью.
В качестве органической матрицы в новом материале были использованы гидрогели на основе модифицированного поливинилового спирта. На базе таких гидрогелей уже создано огромное количество материалов, в частности, нетканые материалы для раневой защиты и другие, которые были исследованы в разных институтах.
В качестве наполнителя были использованы биологически совместимые фосфатные стекла, частицы которых предварительно измельчены до наноразмеров для того, чтобы могли перерабатываться в гидроксиаппатит, из которого и построена костная ткань.
После испытания на механическую прочность образцов нового биокомпозита в МГТУ им. Н.Э. Баумана материал будет направлен на испытания в НИИ скорой помощи им. Н.В. Склифосовского.
Биосырье для ПКМ
Одна из важнейших задач химии на сегодняшний день - создание новых подходов к использованию самых распространенных, доступных и возобновляемых ресурсов – растительного сырья вместо традиционно применяемого нефтехимического, в первую очередь речь об углеводах. Сегодня уже достигнуты определенные успехи в использовании растительной биомассы в качестве топлива двигателей внутреннего сгорания. Новым рубежом в развитии этого направления является получение из растительного сырья компонентов полимерных композиционных материалов. Работы в этом направлении начаты в НОЦ «НМКН» (ИЦ) МГТУ им. Н.Э. Баумана. Здесь разработаны перспективные связующие для композитов на основе биовозобновляемых компонентов, в частности, синтезирована серия фурфурол-ацетоновых смол с различным содержанием основных компонентов, которые могут применяться как активные разбавители эпоксидных смол при производстве ПКМ.
Текст Ольги Леонтьевой