.

Перспективные лакокрасочные и конструкционные материалы для судов и кораблей

Перспективные ЛКМ и применение новых конструкционных материалов — главная определяющая тенденция в современной промышленной технологии. Сегодня, как никогда ранее, даже самое смелое инженерное решение лимитируется характеристиками и возможностями существующих конструкционных материалов. Действительно, в настоящее время совершенствование технологических характеристик практически всех материалов определяется свойствами компонентов, из которых они состоят.

Современная промышленность и материаловедение предполагают применение нескольких тысяч марок разных материалов, которые различаются по составу, а также по физической и химической природе. В последние годы успешно разрабатываются принципиально новые конструкционные материалы, о существовании которых раньше даже не помышляли.

Такие материалы — важнейшая часть практически любой современной конструкции. ЛКМ и покрытия из них являются одним из элементов данных конструкций, поэтому неслучайно в основу разработки современных решений положен принцип неразрывности материалов и конструкций, который предполагает одновременно с созданием нового материала разработку защитных покрытий для него.

Совершенствование современных технологий на каждом этапе развития индустриального общества предъявляло новые, непрерывно усложнявшиеся требования к конструкционным материалам (например, термо-, износо- и коррозионная стойкость, электрическая проводимость и др.).

Возрастание требований потребителей к свойствам современных конструкционных материалов можно свести к следующим показателям:

  • улучшение физико-механических свойств (прочность, твердость, упругость, ударостойкость), что должно обеспечивать снижение массы изделий и затрат на их эксплуатацию;
  • повышение сопротивляемости материала к воздействию окружающей среды (температуры, химической и биологической агрессивности, воздействию различного вида излучений и т. п.);
  • повышение надежности (долговечности без изменения технологических характеристик), а также их технической и экологической безопасности в эксплуатации;
  • экономическая эффективность (себестоимость, трудоемкость при нанесении, коэффициент использования возобновляемого сырья и т. п.).

Все вышесказанное относится как к конструкционным материалам, так и к ЛКМ, которые должны появиться в ближайшем будущем.

Требования к новым ЛКМ

Современное материаловедение представляет собой область, в которой, как нигде, сосредоточены самые разнообразные группы конструкционных материалов со своими специфическими, достаточно часто противоречащими друг другу требованиями.

Например, необходимы материалы, сочетающие самые разнообразные свойства:

  • по условиям эксплуатации — работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно-, износо-, топливо-, маслостойкие и т. п.;
  • по критериям прочности — материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности, высокопрочные с умеренным запасом пластичности и т. п.

Одно из важных направлений развития конструкционных материалов — защитные, в том числе лакокрасочные, покрытия.

Лакокрасочные защитные покрытияПокрытия и ЛКМ с противообрастающим эффектом для корпуса судов и кораблей должны обладать полифункциональными свойствами. Кроме традиционных требований к обеспечению минимального времени высыхания, адгезии, твердости, стойкости к воздействию агрессивной окружающей среды, срока годности и других, перспективные покрытия должны отличаться рядом специфических свойств. Например, в области судостроения при нанесении их на подводную часть корпуса судна они должны, кроме биозащиты, обеспечивать эффект самополирования, снижая гидродинамическое сопротивление. Помимо защиты корпуса судна от коррозии, свойства покрытия должны способствовать устранению эрозии и кавитации при обтекании корпуса судна водой. Кроме того, они должны иметь максимальный коэффициент поглощения различных излучений, например обеспечивать скрытность военных кораблей.

Одним из важных направлений разработки новых лакокрасочных покрытий являются золь-гель-технологии, позволяющие создавать целенаправленно многофункциональные экологически безопасные лакокрасочные системы с заданными свойствами на основе неорганических и органических трехмерных структур и наночастиц. Такие наноструктуры блокируют доступ агрессивных агентов к металлу, обеспечивая многократное улучшение барьерных и механических свойств антикоррозионных покрытий и повышенный срок службы. В настоящее время проводятся исследования по созданию материалов на основе самоорганизующихся монослоев, которые образуют мономолекулярные слои полимера на поверхности металла. Путем целенаправленного изменения «головных» групп можно будет придавать желаемые специфические свойства поверхности.

Интересным направлением создания новых покрытий является разработка супергидрофобных и самоочищающихся материалов, в том числе и противообледенительных.

Для окраски и защиты перспективных видов техники и сооружений будут применяться водные или безрастворительные ЛКМ. Этого требуют экологические нормы большинства стран, которые в дальнейшем будут ужесточаться. Кроме того, как показывает практика, современные водные материалы не уступают по свойствам органорастворимым аналогам. Одной из тенденций развития современной технологии ЛКМ является применение возобновляемых видов сырья, поэтому весьма перспективным представляется использование в будущем водно-дисперсионных модифицированных алкидных материалов как наиболее экологически полноценных и отвечающих повышенным технологическим требованиям.

Конструкционные материалы и их характеристики

В связи с ужесточением требований пожарной и экологической безопасности перспективных видов различной техники широкое применение в будущем должны находить многофункциональные теплозвукоизоляционные материалы и покрытия:

  • поропласты, в которых газообразные включения сообщаются друг с другом и окружающей атмосферой;
  • пенопласты — для теплоизоляции рефрижераторов, труб и др;
  • сотопласты — заполнители многослойных панелей при создании наружной теплоизоляции и др.

Практически все многообразие материалов, используемых в современной промышленности, представлено на рис. 1.

Диаграмма конструкционных материалов
Рис. 1 Конструкционные материалы и их характеристики

Исходя из диаграммы, представленной на рис. 1, перспективный конструкционный материал в идеальном случае должен быть по возможности более легким и эластичным и одновременно более прочным. В настоящее время наиболее прогрессивными мономатериалами являются титановые и магниевые сплавы. Однако с увеличением модуля Юнга растет плотность, а следовательно, и масса материала в отличие от композитных материалов, имеющих небольшую плотность с хорошими показателями прочности. Таким образом, традиционные прочные мономатериалы не отвечают совокупности требований по соотношению прочность/масса конструкции. Поэтому с определенной долей уверенности можно говорить, что эпоха повсеместного применения мономатериалов практически заканчивается.

Композиционные материалы (КМ)

Первый КМ, который начал использовать человек, это бетон. Он известен более 6 000 лет. Впервые его применили в Древней Месопотамии, но наиболее активно он использовался в Древнем Риме; правда, после падения Римской империи рецепт изготовления бетона был забыт на тысячу лет. Тому, что римский Колизей достоял до наших дней, человечество обязано КМ.

Но только в наше время в материаловедении наступил своеобразный «переломный момент» — время широкого внедрения в промышленность полимерных КМ (ПКМ).

На рис. 2 представлена 250-летняя эволюция развития конструкционных материалов и ЛКМ, применяемых в судостроении, как в исторической ретроспективе, так и в будущем.

Развитие конструкционных материалов и ЛКМ
Рис. 2 Этапы развития конструкционных материалов и ЛКМ, применяемых в судостроении

Наиболее революционный этап в развитии конструкционных материалов, несомненно, будет связан с широким внедрением:

  • неметаллических КМ;
  • сотовых материалов;
  • поропластов;
  • пенопластов;
  • сотопластов;
  • сэндвич-материалов и сэндвич-конструкций;
  • углеродных и арамидных волокон и др.

В этом случае защитные покрытия могут применяться в сочетании с КМ.

В 1980-х гг. в производстве различных изделий, например спортивного оборудования, начали активно использоваться композитные материалы, такие, как арамид (кевлар) (рис. 3) и углеродное волокно (рис. 4).

Высокопрочное волокно
Рис. 3 Арамидное волокно «Кевлар»
Углепластиковое волокно
Рис. 4 Углеродное волокно (углепластик)

С начала 2000-х гг. углеродные волокна получили широкое распространение в автомобилестроении: кузова, подвеска, тормоза и даже колесные диски автомобилей таких известных фирм, как Lamborghini, Ferrari, Bugatti и других, полностью или частично сделаны из него. Этот материал значительно прочнее стали, но, самое главное, гораздо легче ее (рис. 5). Правда из-за технологических сложностей, трудоемкости в изготовлении и высокой цены на эти материалы их применяют выборочно, как правило, для дорогих моделей и гоночных автомобилей «Формулы-1».

Углепластиковый кузов авто
Рис. 5 Кузов автомобиля, изготовленный из углепластика

В судостроении кевлар применяют в основном для усиления только в килевой части или по швам. Многие производители (верфи BALA Yachts, Blue water, Dolphin, Danish yacht, Zeelander Yachts), выпуская в год не очень большое количество яхт, планомерно переходят на использование кевлара. Одним из лидеров в производстве яхт из кевлара считается итальянская верфь Cranchi, которая изготавливает яхты длиной 11-21 м полностью из кевлара (рис. 6).

Яхта Cranchi
Рис. 6 Яхта Cranchi, сделанная полностью из кевлара

Первым крупным военным кораблем, полностью изготовленным из ПКМ, стал шведский корвет «Висбю» (Visby) — это действительно новый этап в развитии судостроения (см. рис. 11 в статье «Покрытия для маскировки»Маскирующая окраска военных кораблей и гражданских судов).

Силуэт корабля представляет собой моноблок с интегрированной надстройкой, расположенной в районе миделя. Корпус корвета выполнен из гибридного КМ — поливинилхлоридного ядра и внешней оболочки из углепластика на поливинилхлоридном связующем. Технология изготовления судовых конструкций из ПКМ была разработана на верфях Kockums в Карлскруне (Швеция), принадлежащих немецкой компании HDW. Кроме поглощения радиоволн РЛС, углеродные жгуты обеспечивают их «распыление», что способствует снижению уровня вторичного радиолокационного поля корабля.

Надводная часть корпуса выполнена в виде комбинации больших плоских поверхностей, расположенных под различными углами, что также способствует рассеиванию электромагнитной энергии. Все основные системы вооружения, швартовное оборудование находятся в корпусе корабля за специальными герметичными покрытиями, выполненными «заодно» с корпусными конструкциями. Исключение составляет артиллерийская установкаМногофункциональность ракетного крейсера Москва, но ее башня изготовлена из радиопоглощающего материала.

Применение в конструкции корпуса нового конструкционного материала позволило значительно снизить составляющую массы корпуса в общей нагрузке.

По заявлениям разработчиков, корпус «Висбю» на 50% легче корпуса аналогичных размеров, выполненного из традиционных материалов.

Применение ПКМ — одно из самых инновационных решений в конструировании современной техники. Это доказывает наиболее высокотехнологичная из отраслей промышленности — авиастроение. Например, в пассажирском самолете Boing-878 Dreamliner 50% элементов фюзеляжа изготовлены из композитных материалов на основе углерода. В результате эта модель стала легче и прочнее, чем обычный лайнер с алюминиевым фюзеляжем. В самолете А-380 для снижения массы также использованы ПКМ. Так, 11-тонный центроплан (центральная часть крыла) на 40% массы состоит из углепластиков.

В перспективе одним из методов получения эффективных конструкционных материалов будет их синтез из элементов, имеющих предельные значения характеристик, в том числе свойств, не сочетаемых в мономатериалах, т. е. предельно прочных, предельно тугоплавких, термостабильных и т. п. Такие материалы получили название композиционных. При их изготовлении используются высокопрочные элементы (волокна, нити, нитевидные кристаллы, тугоплавкие соединения и другие компоненты, выполняющие функцию армирующего агента или наполнителя), связанные матрицей из прочного и пластичного материала (металлических сплавов или полимерных материалов). КМ по удельной прочности могут на 50-100% превосходить стали или алюминиевые сплавы и обеспечивают снижение массы конструкции на 20-50%.

К сожалению, в настоящее время широкое внедрение ПКМ ограничивается их относительно высокой стоимостью.

Так, на 12.11.2014 г. 1 т конструкционной легированной стали стоила 1 750 дол., а 1 т кевлара около 35 000 дол., но со временем это соотношение будет снижаться и при приемлемых ценах применение композитов для создания различных конструкций приобретет более массовый характер.

С точки зрения использования ПКМ в мировой практике принята классификация КМ в зависимости от материала матрицы и типа дисперсного наполнителя.

По типу матрицы КМ классифицируются следующим образом:

  • КМ с керамической матрицей;
  • КМ с металлической матрицей;
  • КМ с оксид-оксид матрицей;
  • КМ с органической матрицей (полимерной и углеродной).

По типу наполнителя КМ выделяются:

  • КМ с волокнистыми армирующими компонентами;
  • КМ со слоистыми армирующими наполнителями;
  • КМ с наполненными пластиками (насыпными и скелетными, наполненными связующим).

Путем подбора состава и свойств матрицы и наполнителя, их соотношения, ориентации наполнителя можно получить практически любые современные материалы и готовые изделия с требуемым, заранее заданным сочетанием эксплуатационных и технологических свойств. При этом многообразие комбинаций различных исходных материалов и технологий их переработки в композитные материалы и изделия практически бесконечно и ограничено только уровнем развития науки и техники.

В ряде случаев, например при производстве изделий, эксплуатирующихся в особо жестких условиях, возможно применение только композитных материалов. Незаменимость композитов обеспечивается, но не ограничивается следующими важнейшими характеристиками:

  • высокая механическая прочность;
  • термостойкость;
  • коррозионная стойкость;
  • малый удельный вес.

При создании перспективных КМ широкое применение найдут материалы на базе углеродных кластеров (карбоны, фуллерены, нанотрубки, термовспученные графиты и др.).

Сэндвичная панель образуется двумя тонкими лицевыми листами или плоскостями, разделенными и одновременно связанными с более крупным центральным ядром (рис. 7). Наружные слои (облицовка) изготавливаются из относительно жесткого и прочного материала, например алюминиевых сплавов, пластиков, армированных волокнами, титана, стали. Они придают конструкции высокую жесткость, прочность и воспринимают растягивающую или сжимающую нагрузку извне.

Структура сэндвич-панели
Рис. 7 Сэндвич-панель

Материал ядра, как правило, более легкий, с низким модулем упругости. Для изготовления центральной части сэндвичных панелей обычно используют жесткие пенопласты (вспененные полимерные материалы на основе фенольных, эпоксидных смол или полиуретанов), древесину и сотовые конструкции.

Центральное ядро сэндвичной конструкции выполняет несколько функций:

  • создает эффект сплошной конструкции, связывая лицевые панели между собой;
  • противостоит перпендикулярным сдвиговым напряжениям;
  • противодействует вспучиванию панели.

Сотовая конструкция является одним из наиболее популярных видов ядра, применяемого при производстве сэндвичных панелей (рис. 8).

Многослойная сотовая конструкция
Рис. 8 Сотовая конструкция

В качестве материала, из которого изготавливают соты, как правило, используются алюминиевые сплавы и арамид.

Среди КМ выделяются два основных типа материалов: на основе дисперсного наполнителя и на основе волокон.

В последние годы повысилось внимание ученых к разработке и исследованию металломатричных композитов (ММК), применение которых позволяет достичь значительного улучшения физико-механических и эксплуатационных свойств и расширения температурно-силовых интервалов работы изделий.

Большой интерес к алюмоматричным композиционным сплавам (АКС) обусловлен их высокой удельной прочностью, малой плотностью, хорошими технологическими свойствами.

К настоящему времени на производственном уровне освоены и успешно используются АКС, содержащие в качестве армирующей фазы частицы SiC, АI2О3, TiC, TiB2, В4С и др.

Основным достоинством композитов на основе керамической матрицы является возможность их применения при высоких температурах за счет высокой термостойкости керамики. На рис. 9 представлен композит на основе керамической матрицы, разработанный НАСА для перспективной космической техники.

Композитная сэндвич-панель
Рис. 9 Композит на основе керамической матрицы с сотовой структурой

Основными исходными материалами для производства полимерных матриц в настоящее время являются термопластичные и термореактивные материалы.

Среди термопластичных материалов перспективными являются:

  • полипропилен,
  • полиэтилен,
  • полистирол,
  • фторопласт,
  • поливинилхлорид,
  • полиамид,
  • полиуретан,
  • поликарбонат и др.

В качестве армирующих наполнителей для композитов, в частности применяемых в судостроении, кроме стекловолокна широко используют различные виды волокон:

  • углеродное,
  • арамидное,
  • базальтовое,
  • полимерные,
  • натуральное и др.

Критерием выбора армирующего наполнителя могут быть такие его характеристики, как удельное напряжение и удельный модуль, поэтому с точки зрения прочности ПКМ предпочтение следует отдавать арамидным и поликарбонатным волокнам.

Очень перспективным материалом для создания различных конструкций являются пенометаллы — металлы или сплавы различных металлов ячеистой структуры. Они имеют крайне низкую плотность (0,05-0,45 г/см³) в сочетании с высокой удельной жесткостью и шумопоглощением, низкой теплопроводностью. Существуют пенометаллы на основе стали, латуни, но наиболее распространены пенометаллы на основе сплавов алюминия и магния (рис. 10). Такие материалы хорошо свариваются, имеют высокие демпфирующие свойства, повышенную коррозионную стойкость. Прочность изделия из металлической пены значительно повышается при поверхностной обработке — прокатке, ковке, штамповке.

Сплав ячеистой структуры
Рис. 10 Сплав «Фомалюм» (пенометалл на основе сплава алюминия и магния)

Металлические пены отличаются неожиданным и характерным свойством: они не плавятся даже при температуре, соответствующей точке плавления исходного сплава. Так, технические сплавы алюминия плавятся при 560-640 °С. Пеноалюминий нагревали в электропечи при температуре 1 400 °С, однако он не расплавился; его выдерживали 100 ч при температуре 1 482 °С: он сильно окислился, но его прочность и размеры деталей остались прежними. Пенометаллы можно многократно нагревать до высоких температур и быстро охлаждать, при этом их свойства изменяются незначительно; другие пеносистемы не выдерживают подобных испытаний.

Не исключено, что в будущем конструкторы опять вернутся к одному из традиционных материалов — древесине. Древесина как природный материал имеет отличное соотношение: прочность/масса. При ее сочетании с другими конструкционными материалами, пропиточными составами, различными смолами она может успешно применяться в материалах для авто-, авиа- и судостроения, строительства и в других отраслях. Но в данном случае это будут не просто деревянные конструкции, а КМ на основе древесины, в состав которого входят различные клеи, пропитки и наполнители. Причем очень важно, что это возобновляемый природный ресурс, который фактически неиссякаем. Это направление в наши дни уже успешно развивается во многих высокотехнологичных отраслях промышленности: клееная древесина в строительстве, производство спортивного инвентаря (горные и беговые лыжи, сноуборды, спортивные сани и др.) и даже каркаса спортивных автомобилей.

Перспективы использования «интеллектуальных» материалов

Технологии совсем недалекого будущего в значительной степени будут широко применять так называемые интеллектуальные материалы и конструкции. Из анализа экспертных оценок специалистов следует, что в ближайшие 20 лет до 90% современных материалов, применяемых в промышленности, могут быть заменены новыми, в частности «интеллектуальными», материалами, что позволит создать элементы конструкций, которые будут определять технический прогресс XXI в.

К настоящему времени полный цикл научных исследований в области создания интеллектуальных материалов практически завершен.

Однако конечной целью такой работы является создание несущих конструкций, в которых интеллектуальные материалы способствуют не только изменению состояния конструкций, но и их перемещению или даже самовосстановлению.

Виды и свойства интеллектуальных материалов

Согласно принятому научным сообществом определению, под интеллектуальным материалом или конструкцией понимают систему, способную в реальном масштабе времени регистрировать внешние воздействия и активно реагировать на них, изменяя свои свойства в режиме максимально адекватного отражения или противодействия таким воздействиям. Изменения свойств позволяют материалу или в целом конструкции динамически подстраиваться к условиям окружающей среды.

Такое поведение материалов и конструкций особенно актуально при решении проблем защиты кораблей по физическим полям.

К интеллектуальным материалам будущего относятся различные по химическому и агрегатному состоянию материалы, которые объединяет проявление одной или нескольких физических характеристик (оптических, магнитных, электрических, механических) и/или физико-химических характеристик (например, реологических), которые значительно, обратимо или необратимо, изменяются под воздействием внешних управляемых или случайных воздействий. В качестве таких воздействий могут быть изменения давления, температуры, влажности, pH среды, электрического, магнитного, или электромагнитного полей и других факторов.

Разнородные материалы рассматриваются как интеллектуальные благодаря проявлению взаимозависимых, но различных по своей природе свойств, например, пьезоэлектрических, термохромных, фотохромных, магнитореологических, а также свойств памяти формы и действия. В окружающем нас мире такие материалы, созданные природой, встречаются достаточно часто.

Например, к их числу можно отнести различные активные минералы и даже воду.

Интеллектуальные материалы можно будет использовать как в качестве сенсоров, чувствительных к какому-либо воздействию, так и в качестве актуаторов, вызывающих искусственно совершаемое, но при этом управляемое действие при получении контролирующего сигнала. В качестве примера простейших интеллектуальных материалов можно привести биметаллические пластины в регуляторах температуры.

В последнее время в качестве интеллектуальных материалов представляются:

  • пьезоэлектрики (альфа-кварц, титанат-цирконат свинца в др.);
  • термоэлектрики;
  • мультиферроики;
  • магнитокалорические материалы;
  • материалы с эффектом гигантского магнитного сопротивления;
  • магнито- и электрореологические жидкости;
  • материалы, обладающие эффектом памяти формы, например сплав никеля и титана — нитинол (рис. 11);
  • термо- и фоточувствительные полимеры.

К интеллектуальным материалам относятся полимерные гели, способные изменять свой объем или другие свойства даже при незначительном изменении внешних условий.

Металл со свойством памяти формы
Рис. 11 Сплав нитинол, обладающий эффектом памяти формы

В качестве примера также можно привести уже разработанную и используемую в боевых условиях так называемую «жидкую броню». Очевидно, что создать интеллектуальные монометаллы или сплавы чрезвычайно трудно. В этом случае можно с уверенностью говорить о реальной перспективе создания интеллектуальных конструкций, представляющих собой основу — моно- или биметалл и специальное «интеллектуальное» покрытие.

Тем более что различные полимерные покрытия, значительно изменяющие, например, электропроводящие, оптические, антифрикционные и другие свойства при сорбции определенных веществ, входящих в их состав, уже сегодня достаточно широко применяются в различных сенсорах приборов, используемых в том числе для мониторинга сред, например для определения концентрации токсичных компонентов.

Предлагается к прочтению: Натурные испытания судовых лакокрасочных покрытий для судов и кораблей

Наибольшие перспективы при создании «интеллектуальных» материалов специалисты, как правило, связывают с нанотехнологиями и наноматериалами. Однако не меньшую роль в решении данной проблемы играют так называемые «интеллектуальные» композиты. Они представляют собой особым образом структурированные системы, состоящие, в свою очередь, из подсистем считывания внешнего воздействующего сигнала, подсистемы его обработки, функционального отклика, механизма обратной связи, самодиагностирования и самовосстановления (в случае требуемой обратимости). Каждый элемент такой сложной структурной системы имеет определенную функциональность, при этом вся система строится по принципу: «принимать решение и совершать действие».

В настоящее время уже достаточно широко известны материалы, на основе которых можно сконструировать подобную весьма перспективную систему.

К таким материалам можно отнести:

  • сплавы и полимеры с развитой памятью формы и действия, которые деформируются, а затем восстанавливают форму при изменении температуры или напряженности магнитного, электрического или электромагнитного поля, например ферромагнитные жидкости (рис. 12);
  • pH-чувствительные полимеры, которые набухают или коллапсируют при изменении кислотности окружающей среды;
  • термочувствительные полимеры или другие покрытия, например на основе интеркалированного графита, меняющие свойства при изменении температуры окружающей среды, защищая при этом изделия от любого высокотемпературного воздействия;
  • галохромные, электро-, термо- и фотохромные материалы, которые изменяют цвет (или его пропускание) при изменении температуры, кислотной среды, приложенного напряжения электрического (электромагнитного) поля, облучении светом;
  • неньютоновские жидкости, которые меняют вязкость вплоть до потери текучести при изменении величины приложенной скорости сдвига, а также другие жидкостные интеллектуальные системы, способные изменить свое движение под действием электрического сигнала и вызывать появление реальных сил и смещений.
Магнитная жидкость
Рис. 12 Ферромагнитная жидкость

Для примера можно привести швейцарскую фирму Ribcap, которая выпускает защитную одежду и головные уборы по технологии, использующей свойства неньютоновских жидкостей (рис. 13).

Изделия фирмы Ribcap
Рис. 13 Изделия фирмы Ribcap, в производстве которых используются свойства неньютоновских жидкостей

В обычном состоянии пластик, из которого изготовлены изделия, — мягкий эластичный материал, но стоит приложить внешнее воздействие (ударить или быстро надавить) он мгновенно твердеет и гасит ударную волну, а затем снова приобретает эластичные свойства. Оба процесса проходят за ничтожно малое время.

На рис. 13 показано, что:

  • при ударе полимер образует пространственную структуру, за счет чего изделие «гасит» ударную волну;
  • магнитно-стрикционные материалы, используемые в качестве активных приводов, реагирующих на изменение внешних условий.

Основные виды разработанных к настоящему времени «интеллектуальных» материалов приведены на рис. 14.

"Интеллектуальные" материалы
Рис. 14 Примеры «интеллектуальных» материалов

Достигнутые успехи в области создания функциональных наноматериалов и «интеллектуальных» конструкционных систем, способных самостоятельно управлять своей структурной и композиционной организацией, вселяют надежды на будущее, тем более что некоторые разработки уже сейчас внедряются в практику. Важнейшим направлением в управлении структурой является процесс самовосстановления конструкций.

К самовосстанавливающимся относятся материалы, способные частично или полностью восстанавливать полученные повреждения, например трещины или критические износы. Стоит отметить, что в природе явление самовосстановления наблюдается повсеместно. Специалистам известны различные стратегии и подходы для создания самовосстанавливающихся материалов. Успешные исследования проводятся применительно к металлам, керамикам и полимерам. Необходимым условием для самовосстановления повреждения, как правило, является формирование так называемой подвижной фазы, способной «затянуть» повреждение. На практике перспективные самовосстанавливающие материалы в зависимости от механизма инициирования и природы самовосстановления делятся на автономные и неавтономные. Неавтономные материалы для самовосстановления требуют внешнее инициирование (например, изменение давления или температуры), для автономных самовосстанавливающихся материалов именно повреждение является импульсом или сигналом для восстановления.

«Внешнее самовосстановление» также может быть основано на использовании внешних восстанавливающих компонентов, например микро- и нанокапсул, специально введенных в матрицу материала или находящихся в смазывающей или охлаждающей среде. К числу перспективных и достаточно проверенных на практике компонентов можно отнести мелкодисперсные (нанодисперсные) порошки активных минералов.

В настоящее время наиболее изученной категорией самовосстанавливающихся материалов являются полимеры и композиты на их основе. Примером самовосстанавливающегося полимера является олигомерный термопластичный эластомер (например, для восстановления разлома достаточно прижать друг к другу поверхности этого разлома).

Читайте также: История создания судовых покрытий

Самовосстановление металлов или полимеров сегодня и в ближайшей перспективе возможно только по внешней схеме. Внутреннее самовосстановление или «программируемая материя» остается пока перспективой далекого будущего. Так что появление робота из жидкого металла (модель Т-1000) из кинофильма «Терминатор-2» пока остается только фантастикой, но вполне осуществимой.

В будущем наиболее перспективными материалами с точки зрения самовосстановления являются графен (рис. 15), фторографен (рис. 16) и углеродные нанотрубки (рис. 17).

Графен

Графен (graphene) — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом. Его можно представить как одну плоскость графита, отделенную от объемного кристалла. По оценкам специалистов, графен обладает большой механической жесткостью (≈1 ТПа) и рекордно высокой теплопроводностью (≈5·10³ Вт·м-1·К-1).

Графен — первый известный истинно двумерный кристалл.

С точки зрения создания защитных покрытий наибольший интерес может вызвать материал, полученный на основе графена, — фторографен, являющийся его модификацией, первым стехиометрическим химическим производным. Его получают путем присоединения атомов фтора к каждому атому углерода в графене.

Структура графена
Рис. 15 Графен

Соединения углерода с фтором хорошо известны. К ним относится политетрафторэтилен, более знакомый под названием тефлон или фторопласт. Этот полимер обладает рядом ценных эксплуатационных свойств: радиационной стойкостью, механической прочностью, низкой газопроницаемостью. Эти характеристики обусловливают применение фторполимеров в атомной, авиационной, космической, химической отраслях промышленности, где требования к материалам особенно высоки.

Структура фторографена
Рис. 16 Фторографен

В пищевой промышленности и бытовой технике фторопласт используется для изготовления антиадгезионных и антипригарных покрытий, уплотнителей, прокладок и др.

Фторографен

Фторографен — соединение двумерной структуры с практически такой же гексагональной кристаллической решеткой, что и у графена, но в отличие от его химических производных — графана и оксида графена — обладает прекрасной термостойкостью. Как показано методом спектроскопии, он стабилен вплоть до 200 °С и начинает терять атомы фтора только при 400 °С. Более того, в обычных условиях фторографен устойчив к действию воды, ацетона пропанола и других агрессивных жидкостей. Исследования показали, что его химстойкость сравнима с химстойкостью тефлона.

Углеродные нанотрубки
Рис. 17 Углеродные нанотрубки: а — схематичное изображение;
б — вид под электронным микроскопом

В отличие от графена и фторографена, которые находятся на стадии активного исследования и промышленные материалы на их основе начнут выпускать лет через десять, материалы на основе углеродных нанотрубок уже сейчас производятся. В Великобритании компанией Surrey Nanosystems разработан материал Vantablack, который называют самым темным материалом на Земле, так как он поглощает около 99,96% падающего света, что приближается к параметрам Черных дыр (рис. 18).

Самый черный материал в мире
Рис. 18 Материал Vantablack

Vantablack

Vantablack состоит из графитовых нанотрубок, каждая из которых примерно в 10 000 раз тоньше человеческого волоса. Их диаметр настолько мал, что фотоны света просто не могут пройти между ними, а это дает огромные возможности при использовании данного материала в технике. Создатели Vantablack ожидают, что их разработка будет применяться для поглощения сторонних источников света в оптических приборах, например в телескопах. Перспективно применение этого материала в специальных покрытиях, поглощающих электромагнитное излучение и термоизолирующих ЛКМ.

Аэрогели

Очень интересным с технологической точки зрения материалом является графеновый аэрогель (рис. 19). Этот материал представляет собой объемный графен и является самым легким в мире.

Самый легкий материал
Рис. 19 Графеновый аэрогель

Плотность аэрогеля составляет всего 0,16 мг/см³, и по этому показателю он находится между газообразным гелием и водородом. Но графеновый аэрогель — не газ, а пористая структура с уникальными характеристиками. Всего 1 г графенового аэрогеля может за секунду поглотить 68,8 г нерастворимой в воде жидкости.

Поэтому возможно применение этого материала в различных поглотителях (адсорбентах и абсорбентах), а также в системах аккумулирования энергии в сложных композитных материалах и в качестве наполнителя для специальных ЛКМ.

Разработан еще один уникальный материал для создания новых композитов и ЛКМ — аморфные металлы, которые также называют металлическими стеклами, так как они состоят из металла с неупорядоченной атомной структурой. Эти материалы могут быть в два раза прочнее стали и могут стать следующим поколением сверхпрочных материалов и военной брони. Из-за неупорядоченной структуры они рассеивают энергию удара более эффективно, чем металлические кристаллы, у которых есть «слабые» места. Аморфные металлы получают в процессе быстрого охлаждения расплавленного металла, до того, как он сформирует кристаллическую решетку. Применение аморфных металлов, имеющих уникально низкое электрическое сопротивление, может на 40% увеличить эффективность энергосетей, сэкономив при этом миллионы киловатт электроэнергии.

Одним из примеров аморфного металла является прозрачный алюминий, он в три раза прочнее стали (рис. 20). Число областей применения такого материала огромно.

Оксинитрид алюминия
Рис. 20 Прозрачный алюминий

Из него можно будет делать прозрачные корабли и самолеты, разведывательные беспилотные аппараты. В области покрытий его можно использовать в создании токопроводящих материалов.

Исключительную роль интеллектуальные материалы будут играть в подавлении структурных вибраций и воздушного шума. Адаптивные системы для подавления структурных вибраций в перспективе могут быть реализованы на основе широкого применения пьезоэлектриков, контролирующих свойства жесткости и демпфирования любой виброактивной динамической системы. Подавление воздушного шума также может быть основано на использовании акустических сенсоров, регистрирующих параметры шума, набора активных пьезоэлектрических керамических элементов, расположенных на виброактивных поверхностях, которые формируют ответную реакцию, снижая низкочастотный шум, а также применении материалов с большой удельной поверхностью.

Одним из таких материалов является кварцевый аэрогель (рис. 21). Аэрогели относятся к классу мезопористых материалов, в которых полости занимают не менее 50%, как правило, 90-99% объема, а плотность составляет 1-150 кг/м3.

Аэрогель для теплоизоляции
Рис. 21 Кварцевый аэрогель

По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединенных в кластеры наночастиц размером 2-5 нм и пор размерами до 100 нм. На ощупь аэрогели напоминают легкую, но твердую пену, похожую на пенопласт. При сильной нагрузке аэрогель трескается, но в целом это весьма прочный материал — образец аэрогеля может выдержать нагрузку в 2 000 раз больше собственного веса. Аэрогели, в особенности кварцевые — хорошие теплоизоляторы, они также очень гигроскопичны.

Аэрогели — идеальный материал для создания теплоизоляционных покрытий, но, к сожалению, этот материал сейчас довольно дорог (1 см³ стоит 25 дол.). По мере развития технологий и увеличения спроса цена на него будет снижаться, и он найдет широкое применение в различных покрытиях и материалах.

Уже сейчас появляются ЛКМ, содержащие фотогальванические элементы для выработки электричества. Применение таких материалов позволит заменить дорогостоящие солнечные батареи лакокрасочным покрытием, которое будет вырабатывать электрический ток. Английские ученые совместно с компанией Corns Colours создали особый вид ЛКМ, который наносится на сталь в четыре слоя, а получаемое покрытие способно производить энергию из солнечного света.

Эта фотоэлектрическая краска — густая смесь электролитов, пигментов, наполнителей в пленкообразователе. При попадании солнечного света на покрытие содержащиеся в нем фотогальванические элементы начинают вырабатывать электрический ток. По данным Corus Colours, эффективность преобразования покрытием света в электроэнергию составляет 11% (например, эффективность современных солнечных батарей 10-25%).

Рекомендуется к прочтению: Лакокрасочные материалы для защиты судов и кораблей

Новое светопоглощающее и энергогенерирующее лакокрасочное покрытие имеет ряд преимуществ по сравнению с обычными фотоэлектрическими элементами. Например, покрытие может поглощать свет по всему видимому диапазону, что позволяет получать энергию даже в облачную погоду.

Метаматериалы

Особо стоит отметить исключительно перспективную группу конструкционных материалов и покрытий будущего — метаматериалы.

Метаматериалы — это композиционные материалы, свойства которых обусловлены не столько индивидуальными физическими свойствами их компонентов сколько микроструктурой. Этот термин особенно часто применяют по отношению к композитам, проявляющим свойства, не характерные для объектов, встречающихся в природе. Главной уникальной особенностью данного класса материалов является потенциальная возможность обеспечивать отрицательный угол преломления. Такое свойство метаматериалы имеют благодаря не химическому составу, а специальной структуре. Этот эффект предсказал еще в 1960-х гг. талантливый отечественный физик В. Г. Веселаго.

Метаматериалы представляют собой искусственно сформированные и особым образом структурированные среды, обладающие электромагнитными или акустическими свойствами, сложно достижимыми технологически либо не встречающимися в природе. Под такими свойствами следует понимать особые значения физических параметров среды, например отрицательные значения диэлектрической (ε) и магнитной (μ) проницаемостей, пространственную структуризацию (локализацию) распределения величин этих параметров (в частности, периодическое изменение коэффициента преломления, как у фотонных кристаллов), возможность управления параметрами среды в результате внешних воздействий (метаматериалы с электрически управляемой диэлектрической и магнитной проницаемостями) и др.

В 1967 г. В. Г. Веселаго предсказал возможность создания суперлинзы с отрицательным коэффициентом преломления. Эта идея была позже подхвачена английским физиком Дж. Пендри, и первые «метаматериалы», обладающие такими свойствами, были созданы американским учеными Д. Смитом и его коллегами в лаборатории Ш. Шульца.

Идея материалов-невидимок заключается в том, что маскируемый объект помещается в некую полость внутри маскировочной оболочки, и световые волны (или любая другая разновидность электромагнитного излучения), ударяясь об эту оболочку, вместо того чтобы попадать далее в размещенный внутри объект, плавно огибают его и, соединяясь, выходят наружу. Д. Смит в этой связи привел условную аналогию с речным потоком и камнем, помещенным на его пути: «Водные струи, сталкиваясь с камнем, просто растекаются вокруг него и соединяются вместе уже за ним».

Используя уравнения Максвелла, описывающие электромагнитные явления в среде, Д. Пендри с сотрудниками сделали необходимые теоретические расчеты физических характеристик маскировочного материала, способного соответствующим образом изменять направление электромагнитных волн. В частности, ученые пришли к выводу, что этот материал должен быть сконструирован так, чтобы скорость света на некотором удалении от полости была относительно медленной и возрастала при приближении к ней (рис. 22).

Направление электромагнитных волн
Рис. 22 Схема изменения направления электромагнитных волн в метаматериале

Главный «секрет» невидимости состоит в использовании материалов с отрицательным коэффициентом преломления света (рис. 23). Одна из главных проблем, с которой сталкиваются разработчики таких метаматериалов, состоит в необходимости перебрать множество вариантов форм и структур в поиске оптимального решения.

Преломление света
Рис. 23 Иллюстрация свойств метаматериалов: слева — обычная жидкость, справа — с отрицательным показателем преломления

Специалисты из университета Пенсильвании нашли способ облегчить эту работу, используя так называемые «генетические алгоритмы». Этим методом находят наилучшие варианты путем комбинирования и вариации искомых параметров по принципу естественного отбора в природе.

Группа ученых работала с материалом, представляющим собой несколько слоев на кремниевой подложке. За первым слоем из палладия следовал слой полиамида, внутри которого был помещен еще один экранирующий слой палладия. В последнем слое были сделаны сложные вырезы определенной формы, которые блокируют волны разной длины (рис. 24).

Узоры метаматериала
Рис. 24 «Узоры» метаматериала, блокирующие электромагнитные волны: а — проектные узоры, б — узоры палладия на полиамиде

Благодаря особой форме и размерам элементов, этот «узор» поглощает до 90% ИК-излучения, падающего на поверхность под углом до 55 °. Чтобы найти наиболее эффективный рисунок для экранирующего слоя пригодился математический инструмент, основанный на законах природы. Ученые записали характеристики отдельных ячеек экранирующего слоя в двоичном коде, создав своеобразные цифровые хромосомы. После этого алгоритм начал в случайном порядке смешивать их, создавая большое число возможных форм и узоров.

Затем программа проверила свойства всех полученных образцов и отобрала самые лучшие из них, которые были вновь смешаны между собой для получения второго поколения вариантов, из которых снова оставляли лишь наиболее подходящие. В результате эволюционного отбора был получен образец, который по свойствам превзошел поставленные требования. Материал поглощает широкий спектр волн в отличие от многих узкоспециализированных предшественников. Кроме того, он состоит всего из одного экранирующего слоя, что делает его простым в изготовлении (рис. 25).

Структура метаматериала
Рис. 25 Структура метаматериала на основе полиамида и палладия

Покрытие из полиамида не только защищает металл, но и предотвращает потери в момент входа волны из воздуха в устройство.

По мнению разработчиков, новый материал может применяться, чтобы объекты были не видны для инфракрасных сенсоров, а также для защиты специального оборудования от излучения.

Ранее генетический алгоритм уже использовали в области электромагнетизма, но работа американских ученых стала первым случаем его применения для изготовления новых материалов.

Стоит отметить, что метаматериалы были созданы достаточно давно, но до сих пор имели один существенный недостаток: они были невидимы только в одном, весьма ограниченном диапазоне света. Таким образом, предмет мог быть невидим, но, как только меняли угол наблюдения и диапазон светового излучения, его можно было увидеть. Это означает, что свет, огибающий объект, должен иметь такую же поляризацию, как и свет вне объекта.

Шотландские ученые из университета Святого Андрея разработали совершенно инновационный тип метаматериала — Metaflex, позволяющий избавиться от этого недостатка. Главное, что обеспечивает отрицательный коэффициент преломления во всем диапазоне видимого света, — это структура метаматериала, от которой зависят его оптические свойства. Раньше это достигали за счет специальных нанорешеток на поверхности, а шотландские ученые использовали другой способ. Они «свернули» плоский двухмерный метаматериал в трехмерный наноразмерный объект и сохранили оригинальные оптические свойства материала.

Будет интересно: Типы и свойства различных пленкообразователей для судовых ЛКМ

То, что считалось научной фантастикой и можно было увидеть только в фантастических фильмах еще 20 лет назад, теперь воплощается в жизнь. На рис. 26 представлен плащ, изготовленный из метаматериала, который представляет собой практически «шапку-невидимку» пришельца из голливудских фильмов. Чтобы такой материал был «шапкой-невидимкой», он должен обладать двумя свойствами.

Применение метаматериала в маскировке
Рис. 26 Слева — плащ, изготовленный из метаматериала, 2014 г.; справа — инопланетянин из фильма «Хищник» (Predator), 1987 г.

Во-первых, он сам не должен отражать свет и не допускать, чтобы свет отражался от объекта, скрытого под ним. В принципе это легко — для наблюдения в видимой области спектра достаточно ведра черной краски (или его эквивалента — для радиоволн). Во-вторых, надо как-то избавиться от тени — и это уже гораздо сложнее. Свет должен миновать объект, точно пустое место.

Исходя из этого, можно с уверенностью утверждать, что основой маскировочных покрытий будущего, скорее всего, станут метаматериалы. Возможность метаматериалов искусственно варьировать показатель преломления в различных зонах может обеспечить требуемый и разброс скорости света внутри маскировочной оболочки. Это делает их незаменимыми в данных технологиях. Электромагнитный отклик метаматериала можно «конструировать», создавая специальные, как правило микроскопические, структуры, которые можно будет использовать в различных покрытиях (рис. 27).

Микроструктуры различных метаматериалов
Рис. 27 Микроструктуры метаматериалов

Однако вызывает большие сомнения возможность создания абсолютно невидимого в оптическом диапазоне покрытия, поскольку, согласно теории оптики, полностью избавиться от рассеивания или поглощения световых волн нельзя. Тем не менее ученые полагают, что подобные оптические дефекты могут быть сведены к минимуму. Даже в том случае, если разработанный метаматериал будет создавать на пути света «легкую дымку», это все равно будет означать большой успех в создании новых материалов. Другая очевидная проблема будущих покрытий связана с тем, что замаскированные под ними объекты, скорее всего, полностью потеряют связь с внешним миром.

Например, если этим объектом будет человек, он не только окажется невидимым для внешних наблюдателей, но и сам не будет ничего видеть. Кроме того, материалы-невидимки как бы по определению накладывают жесткие ограничения на подвижность спрятанных внутри них объектов.

Подводя итоги, можно сделать вывод, что материаловедение вступило в новую, более интенсивную стадию развития. То, что раньше происходило за столетия, сейчас осуществляется за десятилетия или даже за годы.

Дальнейшее развитие технологии конструкционных материалов происходит на наших глазах. Эволюцию конструкционных материалов можно с большой долей уверенности спрогнозировать на ближайшие 100 лет (рис. 28).

Конструкционные материалы
Рис. 28 Эволюция конструкционных материалов за 300 лет

В заключение хотелось бы еще раз подчеркнуть, что дальнейшее развитие машиностроения, строительной отрасли и различных технологий в первую очередь определяется успехами в области создания принципиально новых конструкционных материалов. Сегодня от достижений создателей материалов, отвечающих самым высоким современным требованиям, зависит наше технологическое будущее и прогресс цивилизации в целом.

Сноски
Sea-Man

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Август, 10, 2020 95 0
Читайте также