Самовосстанавливающиеся материалы Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Эксплуатация и надежность авиационной техники

УДК 623-4

САМОВОССТАНАВЛИВАЮЩИЕСЯ МАТЕРИАЛЫ

С. А. Акарачкин

ОАО «Научно-производственный центр «Полюс» Российская Федерация, 634050, г. Томск, пр. Кирова, 56в. E-mail: akarachkin.sa@gmail.com

Рассмотрено перспективное направление материаловедения - самовосстанавливающиеся материалы. Показаны основные механизмы восстановления полимерных и электропроводных материалов. Обосновано применение подобных материалов в космической и специальной технике.

Ключевые слова: самовосстановление, срок службы, надёжность.

SELF-HEALING MATERIALS S. A. Akarachkin

^С "Research and production center "Polyus" 56v, Kirov pr., Tomsk, 634050, Russian Federation. E-mail: akarachkin.sa@gmail.com

A perspective direction in the material science is shown. A basic mechanism of self-healing ofpolymers and conductive materials is discovered. The using of that kind of materials is justified for aerospace and military devices.

Keywords: self-healing, life time, reliability.

Самовосстанавливающиеся материалы - это класс материалов, имеющих способность восстанавливать повреждения, вызванные механическими воздействиями в течение срока службы. Идея их создания пришла из области биологических систем, способных к самозалечиванию ран. Возникновение трещин и других повреждений на микроскопическом уровне ведет к изменению температурных, электрических и акустических свойств и впоследствии может вызвать разрушения во всем материале. Поиск структурных дефектов в этом случае - очень трудоемкий процесс. Обычно трещины заделываются вручную, но такая технология не всегда позволяет достичь требуемого качества.

Применение механизма самовосстановления в материалах позволяет увеличить их срок службы, снизить затраты на поддержание в рабочем состоянии и ремонт, а также повысить уровень безопасности вследствие уменьшения интенсивности отказов. По этой причине самовосстанавливающиеся материалы в настоящее время составляют самую исследуемую область материаловедения.

Наиболее перспективными с точки зрения реализация механизма самовосстановления являются полимеры. Разработаны различные технологии их получе-

а

ния, например, реакция Дильса-Альдера. Также известен механизм, основанный на взаимной диффузии макромолекул. В более поздних разработках использованы нековалентные связи, в том числе водородные, иономеры или связи типа [1].

Самовосстановление полимеров проходит в три этапа, что весьма схоже с биологическими системами. В случае возникновения повреждения запускается первый процесс, называемый «включение», происходящий практически мгновенно. Второй процесс - это транспортировка материала в зону повреждения, он протекает также весьма быстро. Третий - непосредственное химическое восстановление материала. Протекание указанных процессов может отличаться в зависимости от типа механизма самовосстановления: полимеризации, переплетения макромолекул, повторной сшивки и пр.

Самовосстанавливающиеся полимеры можно классифицировать на три группы (см. рисунок): кап-сульные, трубчатые и восстанавливающиеся за счет особого химического строения. Капсульные полимеры содержат заживляющие компоненты в маленьких капсулах, содержимое которых высвобождается только в случае разрушения их оболочки.

/Ь

PHÎKMIMC КЛПЛ-1М

б

Самовосстанавливающиеся полимеры: а - капсульный; б - трубчатый

Решетневскуе чтения. 2014

Заживляющие компоненты трубчатых полимеров содержатся в капиллярах, которые могут сообщаться друг с другом в одном, двух или трех измерениях. Как только один из капилляров повреждается, вся их сеть может быть заполнена внешним источником или содержимым соседних каналов. Материалы, восстановление которых обусловлено их химическим строением, не требуют дополнительных заживляющих компонентов. В структуре такого полимера уже заложена способность к самовосстановлению, запускаемая при возникновении повреждения или каким-либо внешним воздействием (сжатие, нагрев и пр.).

Материаловеды Стэндфордского университета первыми смогли получить синтетическую пластичную кожу, обладающую электропроводностью и способностью к самовосстановлению при комнатной температуре. Материал разрабатывался для применения в качестве покрытия протезов конечностей, но в перспективе может использоваться для изготовления самовосстанавливающихся электронных приборов. Благодаря двум новым уникальным свойствам: способности к многократному восстановлению и электропроводности - он может реагировать на изменение давления и температуры, как и настоящая кожа. Полимер построен на использовании водородных связей. Для обеспечения электропроводности в него добавлены микрочастицы никеля. В ходе экспериментов образцы пластика разрезались пополам и соединялись обратно, при этом создавалось небольшое избыточное давление в месте контакта. В течение нескольких секунд пластик восстанавливал 75 % исходной механической прочности и электропроводности, а через 30 мин свойства восстанавливались полностью [2].

В институте Фраунгофера (Германия) создан самовосстанавливающийся эластомер, способный увеличить жизненный цикл многих изделий из нашей повседневной жизни. Ученые почерпнули свою идею, изучая каучуковые деревья, сок которых содержит капсулы со специальным белком, раскрывающиеся при повреждении коры. Этот белок восстанавливает поврежденный участок коры.

Исследователи наполнили подобные капсулы од-нокомпонентным адгезивом (полиизобутиленом) и поместили их в эластомер из синтетического каучука, чтобы сымитировать процесс самовосстановления. При воздействии на капсулы давления они лопаются и освобождают вязкий материал. Затем происходит сцепление адгезива с полимерной цепочкой эластомера, что позволяет залечить трещины [3].

Данная технология получила дальнейшее развитие. Достижения в области полимеров были применены для разработки самовосстанавливающихся проводниковых материалов в электронике [4-6].

Количество выполняемых функций современных устройств постоянно увеличивается, производители упаковывают в интегральные чипы элементы все с большей плотностью. Но такая плотность элементов

ведет к ряду проблем, например таких, как отказы вследствие резких изменений температуры, при которых работает устройство. В таких условиях разрыв в любой точке цепи может вызвать отказ всего прибора.

Создатели технологии самовосстанавливающихся проводниковых материалов опробовали свои разработки, распылив крошечные микрокапсулы диаметром 10 мкм поверх золотого проводника. В момент образования трещины или разрыва проводника капсулы разрушаются и высвобождают заключенный внутри жидкий металл, который заполняет дефекты в проводнике за несколько микросекунд. По результатам эксперимента 90 % образцов восстановили электропроводность до уровня 99 % от первоначальной.

К преимуществам самовосстанавливающихся проводниковых систем можно отнести возможность их местного применения и автономность. Так, только те микрокапсулы, что были повреждены, откроются и высвободят жидкий металл. Таким образом, восстановление произойдет только в районе повреждения. Кроме того, процесс не требует вмешательства человека или других работ, что является значительным преимуществом для устройств, ремонт которых невозможен (например, гальванических батарей), или в случаях, когда найти место повреждения весьма затруднительно (на космическом корабле).

Применение самовосстанавливающихся материалов в космической технике и технике специального назначения способно кратно увеличить долговечность изделий и снизить издержки на их эксплуатацию и обслуживание.

References

1. Self-Replenishing Surfaces / T. Dikic [et al.] // Adv. Mater. 2012, vol. 24, p. 3701-3704.

2. An electrically and mechanically self-healing composite with pressure- and flexion-sensitive properties for electronic skin applications / Benjamin C-K. Tee [et al.] // Nature Nanotechnology. Available at: http:// www.nature.com/nnano/journal/v7/n12/full/nnano.2012.1 92.html.

3. Scientists Developing Self-Healing Plastics Inspired by Rubber Tree Plants. Available at: http://inhabitat.com/scientists-developing-self-healing-plastics-inspired-by-rubber-tree-plants/.

4. Autonomic healing of polymer composites / S. R. White [et al.] // Nature 409, P. 794-797. Available at: http://www.nature.com/nature/journal/v409/n6822/full /409794a0.html.

5. Self-healing plastic mimics blood clotting. Available at: http://www.bbc.com/news/science-environment-27296365.

6. Autonomic Restoration of Electrical Conductivity / Benjamin J. Blaiszik [et al.] // Adv. Mater. Vol. 24, iss. 3, p. 398-401.

© Акарачкин С. А., 2014