Do przestrzeni i poza nią. Państwowe Centrum Badawcze „Keldysh Center” kończy badania nad materiałami samoleczącymi
Pracownicy Centrum Keldysh i ich rozwój w MAKS-2021
Jednym z obiecujących obszarów w dziedzinie materiałoznawstwa jest tworzenie tzw. materiały samoleczące. Są to specjalne kompozyty zdolne do samodzielnej naprawy uszkodzonych obszarów przy zachowaniu podstawowych właściwości mechanicznych. Rozwój kompozytów samonaprawiających się odbywa się za granicą iw naszym kraju. Główne projekty krajowe w tym kierunku powstają w Państwowym Centrum Naukowym „Keldysh Center” ze struktury „Roskosmos”.
Obiecujący kierunek
Keldysh Center, wraz z Rosyjską Fundacją Badań Podstawowych i wieloma innymi organizacjami naukowymi, od kilku lat pracuje nad tematem samoleczenia materiałów. Główne idee i koncepcje zostały już znalezione, a także oparte na nich badania konkretnych związków i kompozytów. Osiągnięte sukcesy były wielokrotnie opisywane w recenzowanych czasopismach. Ponadto na wystawach prezentowane są próbki nowych materiałów.
Obecna wersja obiecującego kompozytu została zademonstrowana na poprzednich wystawach MAKS-2021 i Army-2021. Przeszedł już testy laboratoryjne, podczas których potwierdził obliczoną zdolność do powrotu do zdrowia po przebiciach i skaleczeniach. W prototypach uszkodzenia o wielkości do kilku milimetrów były szybko i skutecznie „napinane”.
Według organizacji rozwojowej prace badawcze nad obiecującym projektem zostaną zakończone w grudniu br. Dalsze plany nie zostały jeszcze ujawnione. Być może Keldysh Center i inne przedsiębiorstwa zaczną badać kwestie wprowadzenia nowego kompozytu do praktyki.
Prezentowany obecnie samonaprawiający się kompozyt to wielowarstwowy miękki materiał odpowiedni do wytwarzania różnych produktów. Przede wszystkim mówimy o elementach dmuchanych o różnym przeznaczeniu. Mogą to być pomieszczenia mieszkalne z atmosferą powietrzną, zbiorniki na płyny itp.
Nowy materiał
Obiecujący kompozyt oparty jest na substancji borosiloksan i jej związkach. Zastosowane w kompozycie związki posiadają właściwości płynu nienewtonowskiego, dzięki czemu zapewnione są niezbędne funkcje – zdolność do wytrzymywania obciążeń statycznych i regeneracji po uszkodzeniu.
Właściwości borosiloksanu: a) - odbicie od sprężystości pod obciążeniem udarowym; b, c) - płynność pod działaniem grawitacji; d, e) - rozciąganie substancji
Na bazie borosiloksanu możliwe jest tworzenie różnych kompozytów, które ogólnie mają podobną architekturę. Proponowany jest system trójwarstwowy. Zewnętrzne i wewnętrzne mogą być wykonane z różnych materiałów, które zapewniają niezbędne właściwości mechaniczne. W szczególności może to być usieciowany borosiloksan - substancja wykorzystująca włókna tego lub innego rodzaju. Przebadano również silikon i włókno szklane impregnowane silikonem.
Pomiędzy warstwami zewnętrznymi umieszczona jest stosunkowo gruba warstwa matrycy z lepkiego borosiloksanu w postaci czystej lub wypełnionej włóknem. To on wykorzystuje wszystkie właściwości płynu nienewtonowskiego i odpowiada za tzw. przeniesienie masy do obszaru uszkodzenia, prowadzące do „gojenia” dziury. W zależności od składu kompozytu inne warstwy mogą mieć podobne właściwości. Jednocześnie wszystkie warstwy pełnią swoje funkcje, zarówno mechaniczne, jak i uszkodzenia w trakcie dokręcania.
Zasada działania samonaprawiającego się kompozytu jest dość prosta. Z takiego materiału wykonany jest nadmuchiwany lub inny produkt, przeznaczony do pracy z wewnętrzną atmosferą o określonym ciśnieniu. Ten ostatni tworzy napięcie, w którym wewnętrzna warstwa kompozytu ma właściwości substancji sprężystej. To zachowanie jest również zachowywane pod wpływem uderzenia lub innego obciążenia.
Jeśli jedna lub więcej warstw zostanie uszkodzona, napięcie ulega zmniejszeniu, w wyniku czego borosiloksan zaczyna wykazywać właściwości lepkiej cieczy. Ma tendencję do wpływania do dziury i w rezultacie dosłownie ją zamyka. Dzięki temu wypływ powietrza z produktu ustaje, a obciążenia ponownie pojawiają się, czyniąc kompozyt elastycznym i odpornym na uderzenia.
Szybkość naprawy uszkodzeń zależy od architektury kompozytu, składu matrycy borosiloksanowej, charakteru dziury itp. Drobne wgniecenia i uszkodzenia są przywracane w ciągu kilku sekund. Większe przerwy wymagają nawet kilku minut. Maksymalny możliwy rozmiar „zagojonego” uszkodzenia zależy od grubości warstwy wewnętrznej i odpowiednio ilości masy dostępnej do przeniesienia. Jednak podczas gdy mówimy tylko o milimetrach.
Do przestrzeni i poza nią
Keldysh Center jest głównym przedsiębiorstwem Roskosmosu w wielu obszarach. W szczególności odpowiada za rozwój kierunku „Materiały funkcjonalne dla technologii kosmicznej”. Wskazuje to, że nowe samoleczące się materiały powstają przede wszystkim dla przemysłu rakietowego i kosmicznego.
Schemat pracy (po lewej) i przekrój kompozytu (po prawej)
Proponowane kompozyty mają kilka ważnych cech. Oprócz tego, że można je odzyskać, są lekkie i elastyczne. Wszystko to umożliwia wykorzystanie ich jako materiałów konstrukcyjnych do niektórych produktów i przedmiotów, dając pewien poziom ochrony. Ponadto mogą być stosowane razem z innymi materiałami jako dodatkowe zabezpieczenie przed uszkodzeniami mechanicznymi.
Na przykład samonaprawiający się kompozyt może być użyty do ochrony statku kosmicznego przed szczątkami lub mikrometeorytami. Taki materiał amortyzuje uderzenia małych przedmiotów i tłumi ich energię, zapobiegając uszkodzeniom głównych elementów statku. Dodatkowo kompozyt będzie w stanie uszczelnić otwory, co wydłuży żywotność całego systemu.
Ponadto nowe kompozyty mogą znaleźć zastosowanie w nowej generacji skafandrów kosmicznych. Jednocześnie możliwe jest tworzenie skafandrów zarówno do pracy na orbicie, jak i do programu księżycowego. W obu przypadkach właściwości nowych materiałów będą przydatne i poprawią wydajność kombinezonów.
W odległej przyszłości samoleczące się materiały mogą znaleźć zastosowanie w budowie konstrukcji długoterminowych, takich jak stacje na Księżycu. Kopuła kompozytowa o wymaganych wymiarach będzie lżejsza niż jakiekolwiek inne konstrukcje, co uprości jej dostawę i montaż. Ponadto przy pomocy borosiloksanu zostanie rozwiązany problem drobnych napraw i wycieków spowodowanych „atakami” mikrometeorytów.
Naturalnie, odzyskiwalne kompozyty mogą być wykorzystywane nie tylko w kosmosie, ale także na Ziemi. Z nich można wykonać pojemniki o różnym przeznaczeniu, możliwe jest ich wykorzystanie przy budowie urządzeń lub konstrukcji itp. Generalnie wszystko sprowadza się do potrzeby i celowości wykorzystania takich materiałów w konkretnych projektach.
Doświadczenie i praktyka
Jednak jak na razie obiecujący projekt Keldysh Center i organizacji pokrewnych jest dopiero na etapie prac badawczych. Zostaną ukończone pod koniec roku, wtedy główne wyniki i realne perspektywy kierunku będą jasne. Wtedy będzie można badać zagadnienia wprowadzania nowych materiałów do rzeczywistych projektów.
Teoretycznie samoleczące się materiały mogą być stosowane w różnych dziedzinach i mają przed sobą wspaniałą przyszłość. Jednak do tej pory ich realizacja była niemożliwa ze względu na brak dopracowanych i „dojrzałych technicznie” kompozycji i receptur. Rozwiązanie tego problemu zbliża się do upragnionego końca - i już wkrótce nowa technologia trafi w ręce projektantów technologii rakietowej i kosmicznej.
informacja