УДК 66

Композиционные материалы с эффектом самозалечивания структуры при радиационно-термическом воздействии

Акименко Анастасия Владиславовна – аспирант, ассистент кафедры теоретической и прикладной химии Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова.

Аннотация: В статье рассматриваются особенности композиционных материалов с эффектом самозалечивания структуры при радиационно-термическом воздействии. Приводятся характеристики некоторых аспектов космического пространства, которые необходимо учитывать при создании авиационно-космической техники. Выявляется специфика внутренних и внешних механизмов восстановления самовосстанавливающихся материалов. Приводятся актуальные для аэрокосмической отрасли направления развития самовосстанавливающихся композиционных материалов.

Ключевые слова: композиционные материалы, самозалечивание структуры, самовосстанавливающиеся полимеры, радиационно-термическое воздействие, авиационно-космическая техника.

Актуальный тренд науки и техники – использование природоподобных эффектов [1]. Одним из таких эффектов является самозалечивание, или самовосстановление структуры композиционных материалов. Самовосстанавливающиеся материалы способны частично или полностью восстанавливать причинённые им повреждения, что открывает огромные возможности, особенно для отраслей, в которых конструкции подвергаются агрессивному внешнему воздействию и располагаются в труднодоступных зонах, таких как аэрокосмическая отрасль. Эффект самозалечивания структуры материала позволяет значительно повысить его долговечность и качество, снизить энергетические и финансовые затраты по содержанию и эксплуатации изделий из него [2]. Поскольку самовосстанавливающиеся композиционные материалы могут адаптироваться к широкому спектру внешних условий, отвечают высоким требованиям долговечности, надёжности, автономности и функциональности и могут обладать различными физическими параметрами, они являются наиболее перспективными материалами для аэрокосмических конструкций.

Целью работы является изучение особенностей композиционных материалов с эффектом самозалечивания структуры при радиационно-термическом воздействии. Для её достижения был проведён анализ и синтез материалов по материаловедению, применён системно-структурный подход к рассмотрению ключевых аспектов проблемы исследования.

Материалы, использующиеся в космической технике, сильно влияют на её характеристики и срок службы [3]. Они должны быть устойчивы к воздействию космической среды и защищать членов экипажа и приборы. Действие космоса в течение длительного времени вызывает ухудшение важных свойств материалов: механических характеристик, веса, летучести, термической стабильности, химической активности и долговечности. В зависимости от характеристик и цели каждая миссия может столкнуться с различными проблемами, создаваемыми космической средой, однако основные проблемы обычно связаны с радиацией, микрометеороидами и орбитальным мусором, сверхвысоким вакуумом и тепловым излучением.

Радиация опасна как для членов экипажа, так и для электроники, и отсутствие атмосферы как защиты в глубоком космосе требует использования искусственных щитов. Космическая радиация может вызвать серьёзные повреждения ДНК астронавтов, деградацию и потерю массы поверхностных материалов, повреждение электронных компонентов, выход из строя теплозащитных поверхностей и устройств. Солнечное электромагнитное излучение, в основном состоящее из УФ-излучения, может разрушать органические химические связи, вследствие чего снижаются термооптические и механические свойства материалов.

Другими важными факторами являются электростатические разряды, связанные с неоднородной зарядкой поверхностей и компонентов космического корабля, и термические циклы – значительные колебания температуры поверхности корабля [4]. Температурные колебания могут варьироваться от -120°C до +120°C на околоземной орбите и от -150°C до +150°C на геостационарной орбите, что изменяет внутреннюю прочность материала и прочности связей, приводит к его растрескиванию и старению. Помимо этого, внутри космического корабля вырабатывается огромное количество тепловой энергии, которой необходимо управлять [5].

Восстановление свойств самовосстанавливающихся материалов может происходить естественным путём или активироваться после применения внешнего раздражителя, такого как тепло или радиация [6]. Все механизмы самовосстановления можно разделить на две основные группы: внутренние и внешние. В случае внешних механизмов самовосстановления лечебный агент помещается в капсулы или сосудистую сеть и включается в матрицу композита. В случае инкапсулированных заживляющих средств во время образования трещин капсулы разрушаются, в результате чего заживляющий агент высвобождается внутри контейнеров для заполнения трещин. В этих областях происходит полимеризация заживляющего агента, заполняющего плоскость трещины.

Самовосстанавливающийся раствор на основе микрокапсул имеет главный недостаток – нестабильность, приводящую к тщательному, но однократному заживлению, поскольку капсула состоит из небольшого запаса целебных веществ [7]. Многократное заживление возможно только в том случае, если после первоначального заживления в матрице присутствует агент перегрева. Для решения этой проблемы используются микрососудистые системы, при применении которых самовосстановление полимерных композитов достигается за счёт включения трубопроводов, заполненных восстанавливающим агентом, в матрицу полимерного композита. При возникновении повреждения заживляющее средство по капиллярам поступает в область повреждения и полимеризуется, завершая процесс.

Материалы с механизмом внутреннего самовосстановления обладают способностью восстанавливать молекулярные или микромасштабные повреждения за счёт присущей им обратимости сцепления полимерной матрицы [8]. Обратимость даёт важное преимущество этому типу самовосстанавливающихся материалов – наличие множественных циклов заживления, для запуска которых не требуются внешние заживляющие материалы. Однако у материалов с механизмом внутреннего самовосстановлением имеются и ограничения. Так, их самовосстановление может быть достигнуто только на микромасштабных или небольших повреждённых участках, что ограничивает спектр их применения. Поскольку заживление происходит на молекулярном уровне, обратимость связи возникает, когда расстояния между химическими веществами находятся в нанометровом диапазоне. Поэтому для осуществления заживления необходимо соединять две повреждённые части вручную либо с помощью других механизмов, часто нагрева.

Для аэрокосмической отрасли наибольший интерес представляют самовосстанавливающиеся нанокомпозиты [9]. К примеру, в эпоксидном нанокомпозите эффект самовосстановления достигается с использованием наноинкапсулированного целебного агента, который высвобождается после воздействия различных раздражителей, таких как свет, тепло, влага и удар. Механизм самовосстановления в таких структурах зависит от обратимого физического или химического сшивания в матрице. Также в самовосстанавливающиеся нанокомпозиты могут добавляться углеродные нанотрубки, позволяющие образовывать обратимые взаимодействия водородных связей в полимерах. Помимо физических взаимодействий, функциональные углеродные нанотрубки могут образовывать ковалентные связи с полимерами.

Более универсальным материалом для авиационно-космической техники является самовосстанавливающаяся композитная керамика, обеспечивающая одновременно тепловую защиту и автономный ремонт [10]. Такой керамический композит может быть получен путём введения микрочастиц титана либо сеток карбида кремния внутрь матрицы из оксида алюминия.

Инновационным аспектом радиационной защиты авиационно-космической техники является использование УФ-излучения в качестве триггера или усилителя процесса самовосстановления [11] Так, УФ-излучение может использоваться как дублирующий фактор активизации капсул, что обеспечивает повышенную эффективность восстановления материала.

Одним из направлений совершенствования самовосстанавливающихся композиционных материалов является привлечение технологий аддитивного производства – трёхмерной печати, позволяющей изготавливать физические 3D-объекты, соответствующие соответствующим цифровым моделям, путём укладки материалов слой за слоем без необходимости использования форм или механической обработки [12]. Трёхмерная печать отличается высокой скоростью производства и позволяет точно контролировать размеры, форму и плотность структур, что имеет большой потенциал для тонкой настройки самовосстанавливающихся материалов.

Таким образом, самовосстанавливающиеся композиционные материалы обладают большим потенциалом для использования в авиационно-космической технике, поскольку позволяют восстанавливать повреждения, полученные в результате температурного и радиационного воздействия внешней среды, ударов, усталости и коррозии. Механизмы, участвующие в самовосстановлении, повышают эффективность заживления и жизненный цикл различных аэрокосмических конструкций. Однако в настоящее время самовосстанавливающиеся композиционные материалы в аэрокосмическом секторе применяются ограничено, поскольку подвергаются комплексным исследованиям, направленным на максимизацию эффективности их использования.

Список литературы

  1. Природоподобные материалы и конструкции в машиностроении монография / Е.А. Косенко, Н.И. Баурова, В.А. Зорин. – М.: МАДИ, 2020. – 304 с.
  2. Иноземцев С.С., До Т.Ч., Королев Е.В. Отечественный опыт исследования в области строительных материалов с функцией самовосстановления // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2022. – № 1. – С. 8-22. – DOI: 10.34031/2071-7318-2021-7-2-8-22
  3. Pernigoni L., Grande A.M. Advantages and challenges of novel materials for future space applications. Frontiers in Space Technologies, 2023, vol. 4. DOI: 10.3389/frspt.2023.1253419
  4. Gouzman I., Grossman E., Verker R., Atar N., Bolker A., Eliaz N. Advances in polyimide-based materials for space applications. Mat, 2019, vol. 31, pp. 1807738-1807815. DOI: 10.1002/adma.201807738
  5. Ince J.C., Peerzada M., Mathews L.D., Pai A.R., Al-qatatsheh A., Abbasi S., Yin Y., Hameed N., Duffy A.R., Lau A.K., Salim N.V. Overview of emerging hybrid and composite materials for space applications. Adv Compos Hybrid Mater, 2023, vol. 6, no. 130. DOI: 10.1007/s42114-023-00678-5
  6. Nascimento A.A. Self-Healing Polymers and Composite Materials. Fiber-Reinforced Plastics, 2022. DOI: 10.5772/intechopen.100908
  7. Paladugu S.R.M., Sreekanth P.S.R., Sahu S.K., Naresh K., Karthick S.A., Venkateshwaran N., Ramoni M., Mensah R.A., Das O., Shanmugam R. A Comprehensive Review of Self-Healing Polymer, Metal, and Ceramic Matrix Composites and Their Modeling Aspects for Aerospace Applications. Materials (Basel), 2022, vol. 15, no. 23: 8521. DOI: 10.3390/ma15238521
  8. Islam S., Bhat G. Progress and challenges in self-healing composite materials. Materials Advances, 2021, vol. 2., pp. 1896-1926. DOI: 10.1039/D0MA00873G
  9. Kausar , Ahmad I., Maaza M., Bocchetta P. Self-Healing Nanocomposites—Advancements and Aerospace Applications. Journal of Composites Science, 2023, vol. 7, no. 4: 148. DOI: 10.3390/jcs7040148
  10. Pernigoni L., Lafont U., Grande A.M. Self-healing materials for space applications: overview of present development and major limitations. CEAS Space J, 2021, 1 vol. 3, pp. 341-352. DOI: 10.1007/s12567-021-00365-5
  11. Zhu Y., Cao K., Chen M., Wu L. Synthesis of UV-responsive self-healing microcapsules and their potential application in aerospace coatings. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019, 11, pp. 33314-33322. DOI: 10.1021/acsami.9b10737
  12. Jiang , Ng E.L.L., Han D.X., Yan Y., Chan S.Y., Wang J., Chan B.Q.Y. Self-Healing Polymeric Materials and Composites for Additive Manufacturing. Polymers (Basel), 2023, vol. 15, no. 21: 4206. DOI: 10.3390/polym15214206