Одним из перспективных направлений в области материаловедения является создание т.н. самозалечивающихся материалов. Это особые композиты, способные самостоятельно восстанавливать поврежденные участки с сохранением основных механических характеристик. Разработка самовосстанавливающихся композитов ведется за рубежом и в нашей стране. Основные отечественные проекты в этом направлении создаются в ГНЦ «Центр Келдыша» из состава «Роскосмоса».
Перспективное направление
«Центр Келдыша» совместно с Российским фондом фундаментальных исследований и рядом других научных организаций занимается темой самозалечивающихся материалов в течение нескольких последних лет. Уже найдены основные идеи и концепции, а также проведены исследования конкретных соединений и композитов на их базе. О достигнутых успехах неоднократно рассказывалось в рецензируемых журналах. Кроме того, образцы новых материалов демонстрируются на выставках.Актуальный вариант перспективного композита демонстрировался на прошедших выставках МАКС-2021 и «Армия-2021». Он уже прошел лабораторные испытания, в ходе которых подтвердил расчетные способности к восстановлению после проколов и порезов. На опытных образцах быстро и качественно «затягивались» повреждения размером до нескольких миллиметров.Как сообщает организация-разработчик, научно-исследовательская работа по перспективному проекту будет завершена уже в декабре этого года. Дальнейшие планы пока не раскрывались. Возможно, «Центр Келдыша» и другие предприятия начнут проработку вопросов внедрения нового композита в практику.Демонстрируемый сейчас самозалечивающийся композит представляет собой многослойный мягкий материал, пригодный для изготовления различных изделий. Прежде всего, речь идет о надувных элементах различного назначения. Это могут быть обитаемые отсеки с воздушной атмосферой, баки для жидкостей и т.д.
Новый материал
В основе перспективного композита лежит вещество боросилоксан и его соединения. Применяемые в композите соединения имеют свойства неньютоновской жидкости, за счет которых и обеспечиваются необходимые функции – способность выдерживать статические нагрузки и восстанавливаться при повреждениях.На основе боросилоксана можно создавать разные композиты, в целом имеющие схожую архитектуру. Предлагается система из трех слоев. Внешний и внутренний могут изготавливаться из разных материалов, дающих необходимые механические характеристики. В частности, это может быть сшитый боросилоксан – субстанция с применением волокон того или иного типа. Также испытывались силикон и стекловолокно с силиконовой пропиткой.Между внешними слоями помещается относительно толстый слой-матрица из вязкотекучего боросилоксана в чистом виде или с наполнением волокном. Именно он использует все свойства неньютоновской жидкости и отвечает за т.н. массоперенос в область повреждения, приводящий к «залечиванию» пробоины. В зависимости от состава композита, похожие свойства могут иметь и иные слои. При этом все слои имеют свои функции, как механические, так и в процессе затягивания повреждений.Принцип действия самозалечивающегося композита достаточно прост. Из такого материала выполняется надувное или иное изделие, предназначенное для работы с внутренней атмосферой с некоторым давлением. Последнее создает натяжение, при котором внутренний слой композита имеет свойства упругого вещества. Подобное поведение сохраняется и при ударе либо иной нагрузке.При повреждении одного или нескольких слоев натяжение сокращается, в результате чего боросилоксан начинает проявлять свойства вязкой жидкости. Он стремится вытечь в пробоину и в результате буквально заделывает ее. Благодаря этому прекращается стравливание атмосферы из изделия, и вновь возникают нагрузки, делающие композит упругим и устойчивым к воздействиям.Скорость восстановления повреждений зависит от архитектуры композита, от состава боросилоксановой матрицы, от характера пробоины и т.д. Мелкие вмятины и сквозные повреждения восстанавливаются за несколько секунд. Более крупные разрывы требуют до нескольких минут. Максимально возможный размер «залечиваемого» повреждения определяется толщиной внутреннего слоя и, соответственно, количеством массы, доступной к переносу. Впрочем, пока речь идет только о миллиметрах.
Для космоса и не только
«Центр Келдыша» является головным предприятием «Роскосмоса» в ряде областей. В частности, оно отвечает за развитие направления «Функциональные материалы для космической техники». Это указывает на то, что новые самозалечивающиеся материалы создаются, в первую очередь, для ракетно-космической сферы.Предлагаемые композиты имеют несколько важных особенностей. Помимо способности к восстановлению они имеют малую массу и являются гибкими. Все это позволяет использовать их как конструкционные материалы для некоторых изделий и объектов, дающие некоторый уровень защиты. Кроме того, их можно применять вместе с другими материалами в качестве дополнительной защиты от механических повреждений.К примеру, самозалечивающийся композит может использоваться как защита космического аппарата от мусора или микрометеоритов. Такой материал будет принимать на себя удары мелких объектов и гасить их энергию, не позволяя им повреждать основные агрегаты корабля. Кроме того, композит сможет заделывать отверстия, что продлит сроки службы всей системы.Также новые композиты могут найти применение в скафандрах следующего поколения. При этом возможно создание скафандров как для работы на орбите, так для лунной программы. В обоих случаях свойства новых материалов будут полезными и улучшат эксплуатационные свойства скафандров.В отдаленном будущем самозалечивающиеся материалы можно будет использовать при строительстве долговременных сооружений, например станций на Луне. Композитный купол необходимых размеров будет легче любых других конструкций, что упростит его доставку и монтаж. Кроме того, при помощи боросилоксана будет решена проблема мелкого ремонта и утечек вследствие «атак» микрометеоритов.Естественно, композиты с возможностью восстановления можно применять не только в космосе, но и на Земле. Из них можно делать емкости разного назначения, возможно применение при строительстве техники или сооружений и т.д. В целом все сводится к необходимости и целесообразности применения таких материалов в конкретных проектах.
Опыты и практика
Впрочем, пока перспективный проект «Центра Келдыша» и смежных организаций находится только на стадии научно-исследовательских работ. Их завершат в конце года, и тогда будут ясны основные результаты и реальные перспективы направления. Тогда же появится возможность проработки вопросов внедрения новых материалов в реальные проекты.В теории, самозалечивающиеся материалы могут найти применение в самых разных сферах и имеют большое будущее. Однако до сих пор их внедрение было невозможным по причине отсутствия проработанных и «технически зрелых» составов и рецептур. Решение этой задачи приближается к желаемому финалу – и вскоре новая технология окажется в руках конструкторов ракетно-космической техники.
