Ученые России совершили прорыв в создании композитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), разработав материал с «самоупрочненной» структурой. Эта уникальная технология обеспечивает гармоничное сочетание высокой прочности и пластичности. Новый композит открывает широкие перспективы для производства суставных имплантатов, компонентов авиатехники, элементов защиты и спортивного снаряжения.
Преимущества и сложности СВМПЭ
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) славится исключительной долговечностью, биосовместимостью и способностью достигать прочности металлов при минимальном весе. Однако формирование высокоэффективных композитов из его волокон сопряжено с трудностями: материал не плавится обычным способом, требуя специфических методов горячего прессования. Традиционно композиты включают два разных элемента – прочные волокна и связующую матрицу, причем их граница часто становится слабым местом. Инновация заключается в том, что и волокна, и матрица в новом материале состоят из одного СВМПЭ. Это не только устраняет проблему сцепления, но и гарантирует возможность полной переработки.
Экспертиза НИТУ МИСИС
«Сверхвысокомолекулярный полиэтилен устанавливает рекорды по многим характеристикам среди современных материалов. Специалисты Центра композиционных материалов НИТУ МИСИС более 15 лет углубленно исследуют структуру и свойства СВМПЭ, разрабатывая передовые методы переработки порошков и волокон в функциональные изделия», — подчеркнул к.ф-м.н. Алексей Салимон, заведующий кафедрой физической химии, замруководителя лаборатории ускоренных частиц НИТУ МИСИС.
Исследование параметров
Для определения влияния условий обработки на свойства композита, научный коллектив из НИТУ МИСИС, Сколтеха, ОИЯИ, ИСПМ РАН, Университета «Сириус» и ФНЦГ им. Ф.Ф. Эрисмана изготовил серию образцов СВМПЭ при различных режимах. Были проведены комплексные механические испытания на изгиб, растяжение и ударную прочность, а также детальный анализ микроструктуры с применением электронной микроскопии.
Суть технологии самоупрочнения
«Полимерные волокна, как правило, существенно прочнее прессованного порошка. Их уплотнение с контролируемым подплавлением границ позволяет получить композит исключительных свойств, где матрицей для волокон СВМПЭ служит он же», — пояснил Александр Корсунский, заведующий лабораторией ускоренных частиц НИТУ МИСИС.
Оптимальные свойства
Эксперименты выявили, что наилучший баланс прочности, модуля упругости и ударной вязкости достигается при температуре 165–170 °C и давлении 25–50 МПа. Прочность на растяжение новых композитов составила до 50% от прочности исходных волокон – выдающийся результат для материала из одного компонента.
Перспективы применения
Исследование подтвердило ключевую роль «самоупрочненной» структуры: при горячем прессовании поверхность волокон частично плавится, образуя прочные связи с соседними волокнами без добавления других полимеров. Это обеспечивает эффективное распределение нагрузки, высокую пластичность и способность поглощать удары без разрушения. Детали работы опубликованы в журнале Fracture and Structural Integrity (Q2).
«СВМПЭ сегодня – один из самых перспективных материалов для ответственных применений: от медицины до машиностроения. Наши результаты демонстрируют, что "самоупрочнённые" композиты обладают уникальным набором свойств и могут лечь в основу разработок для сбора энергии, медицинских имплантов и робототехники», — отметил Евгений Статник, доцент кафедры физической химии НИТУ МИСИС.
Работа выполнена при поддержке гранта Минобрнауки России (соглашение № 075-15-2024-552).
Информацию сообщили в НИТУ МИСИС.
Источник фото: ru.123rf.com
Источник: scientificrussia.ru
