Инновации в материаловедении: новые материалы для производства

Одной из наиболее динамично развивающихся областей является материаловедение. Эта наука, как никогда актуальная в современном мире, открывает новые подходы к производству.

Материалы, созданные благодаря последним достижениям в этой сфере, находят широкое применение в различных отраслях, обеспечивая не только повышение эффективности, но и значительное снижение затрат, а также улучшение качества продукции.

Темпы развития области материаловедения поражают воображение. Благодаря стремительному прогрессу технологий и растущему спросу на инновационные решения, учёные и инженеры работают над созданием материалов с уникальными свойствами.

Например, исследователи в области материаловедения представили революционный композитный материал, сочетающий в себе твёрдость и способность поглощать энергию. В ходе испытаний на прочность при трёхточечном изгибе материал показал выдающиеся результаты, а его способность поглощать энергию при экстремально низких температурах до -125 градусов Цельсия стала ещё одним значимым достижением.

В ходе тестирования учёные сбросили листы композита и стандартного стекла с высоты 25 см на поверхность стола. В то время как стекло подпрыгнуло бы с громким звуком, композит остался неподвижным и издал более приглушённый звук. Это открытие предлагает широкие перспективы для применения композитного материала в различных отраслях, включая производство окон, корпусов машин, автомобильных деталей и даже в аэрокосмической промышленности.

И таких примеров инноваций с каждым годом всё больше. Новейшие разработки — от биоразлагаемых полимеров до сверхпрочных металлов и лёгких композитов — уже начинают находить своё применение в повседневной жизни и промышленности.

Кроме того, тенденция к использованию биоразлагаемых материалов становится всё более очевидной. Они способствуют решению острой проблемы современности — загрязнения окружающей среды. Пластиковые отходы, пресловутая «пластиковая проблема», могут быть успешно заменены новыми экологичными материалами, которые обеспечивают такие же, а иногда и лучшие функциональные характеристики.

Рассмотрим ключевые тенденции в материаловедении в 2024 году. 

Композитные материалы

Начнём, пожалуй, с одних из наиболее значимых достижений в области материаловедения — композитных материалов.

Композитные материалы представляют собой гармоничное сочетание стекловолокна или углеродного волокна, которые проходят специальную обработку, и полиэфирных или эпоксидных смол. Изделия из углеродных полимерных композитов на основе эпоксидной смолы обладают невероятной прочностью, сравнимой со сталью. Однако их масса при этом значительно меньше — примерно в три раза.

По словам директора Центра компетенций Национальной технологической инициативы (НТИ) «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ имени Н. Э. Баумана Владимира Нелюба, благодаря своим свойствам самовосстановления и устойчивости к высоким температурам (некоторые способны функционировать при температурах 200-250°С), композитные материалы находят широкое применение во всех сферах тяжёлой промышленности. Эти композиционные решения прекрасно справляются с задачами как в космической отрасли, так и в судостроении и авиации.

А как утверждает заместитель генерального директора компании «ИТЕКМА» Вадим Микрин, из композитных материалов производят беспилотники, а также конструкции для зданий, мостов и прочих инженерных сооружений. Их используют в дорожном строительстве для создания сетей, укрепляющих откосы и грунт. Композиты обладают длительным сроком службы, который способен достигать 30-50 лет.

В настоящее время в мире активно разрабатывают новые биоразлагаемые материалы, что в будущем позволит создавать, например, имплантаты на основе композитов, которые будут разлагаться по мере заживления здоровой ткани.

Разработкой таких материалов в стране занимаются свыше десятка организаций, и, по мнению экспертов, труды этих компаний нередко превосходят по качеству решения западных компаний. Вероятно, причина этому кроется в том, что работать в направлении композитов в стране начали ещё во времена Советского Союза, причём крайне успешно.

Например, в начале этого года учёные Кабардино-Балкарского государственного университета и ТулГУ (Тульского государственного университета) вывели формулу уникального композитного материала для промышленности и производства танков.

Этот композит разработали на основе чистого полимера, в состав которого были введены различные добавки, позволяющие изменять его характеристики в соответствии с конкретными задачами. Материал можно сделать жаростойким, ударопрочным, а также устойчивым к коррозии и другим внешним воздействиям. Как отметил проректор КБГУ, среди термопластичных связывающих наибольший потенциал имеют суперконструкционные полимеры.

Передовые наноматериалы

Этот тип материалов можно по праву назвать передовым. Наноматериалы представляют собой вещества, чьи частицы имеют размер менее 100 нанометров. Эти материалы имеют особые характеристики, включая высокую прочность, гибкость, эластичность, а также хорошую теплопроводность и электропроводность. Они активно используются в таких сферах, как электроника, медицина, косметология и многих других отраслях.

Одним из известных ныне наноматериалов является графен. Исследования в области графена неустанно продолжают открывать новые горизонты его использования — от гибкой электроники до ультравысокопрочных композитов.

Графеновый материал в России, например, производят на базе Инжинирингового центра ООО «Силур». Метод получения моноатомного графена (МГ) базируется на революционном сочетании термического расширения графита и механического расслоения с использованием мощной ультразвуковой кавитации. Разработка передового оборудования стала результатом сотрудничества с лидером российской графеновой индустрии — компанией «Русграфен».

Такой моноатомный графен состоит из нанопластин многослойного графена толщиной до 30 нм. Хотя он немного уступает однослойному виду материала по электрическим, термическим и механическим характеристикам, его свойства по-прежнему остаются на высоком уровне.

Его используют для создания электро- и теплопроводящих композитов, антикоррозийных гидрофобных защитных покрытий, анодных и катодных композитов для накопителей электроэнергии, а также в изготовлении строительных и смазочных материалов.

Но на этом прогресс не останавливается. Всё более активно на передний план выходят и другие двумерные материалы, такие как борофен и дихалькогениды переходных металлов, которые также заслуживают нашего внимания и могут значительно изменить существующие технологии.

К этому же типу материалов относят нанокомпозиты, которые представляют собой совокупность наночастиц и традиционных материалов, что позволяет повысить качество, прочность, проводимость и термическую стабильность итогового вещества.

В числе материалов этого вида можно назвать полимерный нанокомпозит, который является веществом, состоящим из полимерной матрицы и неорганической дисперсионной фазы.

 Устойчивые материалы

К этому виду относятся биоразлагаемые материалы — категория новых материалов, которые могут разлагаться под влиянием микроорганизмов, таких как бактерии и грибы, превращаясь в безопасные для экосистемы компоненты. Например, в углекислый газ, воду и биомассу. Это значительно уменьшает объём пластиковых отходов и загрязнение окружающей среды.

В их числе состоят биоразлагаемые полимеры, которые часто используются компаниями в производстве упаковки.

Например, BioBag и Packamama, изготавливают упаковочные материалы из полимеров на основе крахмала или целлюлозы, которые можно использовать вместо традиционных пластиковых пакетиков. Такие упаковки разлагаются в компосте в течение нескольких месяцев, в отличие от обычного пластика, который разлагается сотни лет.

Такие полимеры, как полилактид (PLA) и полигидроксиалканоаты (PHA), разлагаются с помощью естественных биологических процессов. Эти материалы также находят применение в производстве упаковки, а также текстиля, медицинских изделий и другого.

Одним из перспективных новых материалов эксперты считают сверхлёгкий и сверхпрочный пластик, который используется в разных секторах, таких как авиация, автомобильная промышленность, строительство и электроника. Этот пластик изготавливается с применением современных технологий, включая метод «электронно-лучевой фотополимеризации». Данный метод позволяет формировать структуру на микроуровне, что обеспечивает материалу оптимальное сочетание прочности и лёгкости. Считается, что в ближайшем будущем материал может стать альтернативой металлу и стеклу.

А в прошлом году красноярские учёные создали новый вид биоразлагаемого пластика на основе полистирола и органического соединения — альфа-ангеликалактона. Материал разлагается в лесной почве всего за семь месяцев. Он может стать экологичной заменой полистиролу как в производстве бытовых приборов, так и промышленных изделий.  

К устойчивым материалам также относят вторичные, то есть созданные из отходов. Из них также уже изготавливают новые товары, поскольку за счёт современных технологий компаниям удаётся получить вторичные материалы высокого качества.

Один из уже привычных примеров — это переработка металлолома. Подробнее об этом мы писали в статье «Сортировка и переработка лома: о чём нужно знать?».

Учёные продолжают находить новые способы сделать производство из металла более экологичным. В 2022 году специалисты разработали метод, который позволяет извлекать до 98% ценных веществ из отходов, образующихся при изготовлении стали и цинкового порошка в электросталеплавильных печах. Этот метод также ускоряет процесс переработки отходов в 2-6 раз.

Умные материалы

Представьте себе мир, где материалы могут менять свои свойства в ответ на различные внешние раздражители: температуру, свет или давление. Это не научная фантастика, а реальность, которую уже сегодня воплощают в жизнь умные материалы.

Ярким примером умных материалов являются сплавы с эффектом памяти формы (ЭПФ). Они могут «запоминать» свою форму при охлаждении и возвращаться к ней при нагревании. Эта способность обусловлена обратимым фазовым превращением между двумя твёрдыми фазами — аустенитом и мартенситом. Такие материалы находят широкое применение в производстве медицинских имплантатов, робототехнике и других высокотехнологичных отраслях.

Самым известным представителем сплавов с памятью формы является никель-титановый сплав нитинол. Он способен восстанавливать свою первоначальную форму при нагревании, что делает его незаменимым в таких отраслях, как авиастроение, космонавтика, медицина и автомобилестроение. Нитинол имеет высокую биосовместимость, коррозионную стойкость и сверхэластичность, что делает его наиболее подходящим материалом для биомедицинских имплантатов и аэрокосмических приводов.

Нитинол является лишь одним из множества сплавов с эффектом памяти формы. Существуют также сплавы на основе меди (Cu-Al-Ni, Cu-Zn-Al) и железа (Fe-Mn-Si).

Умные материалы широко используются в робототехнике, где они позволяют создавать мягких гибких роботов, способных адаптироваться к окружающей среде. Проволоку из нитинола можно напечатать на 3D-принтере и использовать в роботизированных «руках», которые регулируют силу и форму захвата в зависимости от объектов, с которыми они работают.

В автомобильной промышленности умные материалы применяются для создания компонентов, реагирующих на температуру. Приводы на основе ЭПФ могут быть интегрированы в системы климат-контроля, регулируя поток воздуха в зависимости от изменения температуры. Пружины из ЭПФ-материалов используются в системах безопасности автомобилей, таких как раскладывающиеся бамперы, которые активируются при ударе.

Умные материалы также играют важную роль в создании интеллектуальных сетей и датчиков. Сплавы с ЭПФ применяются в интеллектуальных сетях для динамического управления нагрузками, оптимизируя распределение энергии. С их помощью также изготавливают чувствительные датчики, которые подстраиваются под изменения окружающей среды, предоставляя данные в режиме реального времени для принятия более эффективных решений.

3D-печать и аддитивное производство

Современные технологии 3D-печати не ограничиваются использованием одного материала. Теперь мы можем комбинировать различные материалы в одном изделии, создавая многофункциональные и сложные структуры. Это открывает новые горизонты для инженеров и дизайнеров, позволяя им воплощать в жизнь самые смелые идеи. В статье «Пластик и не только: современные материалы для 3D-печати» подробно рассказываем об ассортименте материалов для промышленной 3D-печати.