Ученые и студенты Санкт-Петербургского
политехнического университета Петра Великого совместно с одними из лучших в
России экспертами по полимерным материалам Института высокомолекулярных
соединений Российской академии наук в рамках программы «Приоритет 2030» создали
и запатентовали устройство (№2022131419), с помощью которого можно получить
необычный пластик. По словам изобретателей, новый материал может использоваться
абсолютно в любой отрасли, потеснив металлы, дерево и другие используемые
сегодня материалы.
Получение нового пластика происходит с помощью
смешивания полимера и волокна. Полимер в виде порошка заряжается электрически,
затем превращается в псевдожидкость, через которую пропускаются волокна. Таким
образом, частички порошка облепляют волокна и проникают между ними, затем
порошок плавится, превращаясь в густую жидкость, похожую на мёд, которая потом
твердеет, и получается композит, на выходе представленный в виде гранул.
«Композит – это многокомпонентный
материал. Например, железобетон. Он состоит, соответственно, из железа и
бетона. Мы создали очень близкий по физическим свойствам к железобетону
композит, состоящий из полимера, грубо говоря, из пластика, и углеродных
волокон. Пластик в композите отвечает за сжатие, а волокна – за растяжение.
Стандартные технологии позволяют добавлять волокна, которые разрублены на
мелкие кусочки, длиной в доли миллиметров – 300 микрон и даже меньше – это
делается для равномерного распределения по материалу. Нам удалось увеличить
длину волокон до нескольких миллиметров, тем самым придав материалу отличную
прочность, сопоставимую с металлами», – поделился ведущий научный сотрудник
научно-образовательного центра «Биомеханики и медицинской инженерии» Высшей
школы теоретической механики и математической физики, Физико-механического
института СПбПУ Игорь Радченко.
Готовый продукт из полученного композита можно
получать разными методами, в том числе самыми удобными и технологичными, с
помощью которых получены практически все окружающие нас пластмассовые изделия
от детских игрушек до деталей машин и механизмов – литьевым прессованием и
литьем под давлением. Ученые политеха также преобразуют гранулы в филамент –
нить для 3D-печати. На сегодняшний день есть уже несколько пробных деталей –
небольших лопаток, напечатанных из нового материала на 3D-принтере. С помощью
полученных экземпляров специалисты описывают и измеряют физические
характеристики композита.
По словам ученых, правильно подготовленная смесь
пластика и волокна позволяет получать наилучшие характеристики: термостойкость,
прочность, долговечность, легкость, а также способность переносить
ультрафиолетовые лучи, радиацию и химическое воздействие. Благодаря этому
пластиковые композитные изделия становятся дешевле, технологичнее, удобнее и
проще в изготовлении.
«С точки зрения экономической выгоды,
если сравнивать с металлом, то ключевым здесь будет эксплуатационный период.
Очень часто металлы очень дороги в обслуживании и ремонте, а пластик, который
получили мы, ремонтировать практически не придется. Еще один фактор –
доступность малотиражности. При использовании металла выгодно делать только
большое количество серийных деталей, а если вы захотели сделать как-то
по-другому, что-то изменить – нужно перестроить много станков, изменить
технологические процессы, что очень долго и дорого. Из нашего композита можно
легко и быстро делать разные прототипы и даже малые серии за счет использования
аддитивных технологий и, как следствие, легкой перенастройки используемого
оборудования», – рассказал Игорь Радченко.
Большую выгоду от нового материала, по словам
ученых, должна получить и медицина. Один из самых востребованных сценариев
использования – протезы и импланты. Благодаря легкому весу и физическим
свойствам, из композита можно сделать точную копию костей человека.
Но и другие отрасли в стороне не останутся. По
прогнозам специалистов, применять новый материал можно практически в любой
сфере: машиностроении, авиастроении, судостроении, газовой и нефтяной
промышленности, для создания космической техники и оборудования для общего и
специального назначения.
«Мы разработали материалы и технологии
их производства, из которых можно создать даже блок цилиндров для двигателя
внутреннего сгорания. Он будет в разы дешевле и легче, его проще обрабатывать,
сверлить в нем отверстия, создавать каналы для охлаждения», – отметил Игорь
Радченко.
Разработчики рассказывают, что над новым устройством
около года трудились порядка 10 ученых и студентов. Работа велась в тандеме
опытных специалистов в области математического моделирования Политеха и
экспертов по полимерным материалам Института высокомолекулярных соединений РАН.
Большое значение, по словам директора научно-образовательного центра
«Биомеханика и медицинская инженерия», доцента, кандидата физико-математических
наук Ольги Лободы, сыграло то, что разработка велась в рамках программы
«Приоритет 2030».
«Программа „Приоритет 2030” – это
хорошая возможность для развития проектов, и я рада, что программа активно
работает в политехническом университете. Она имеет очень много направлений
развития, в том числе образовательные компоненты, научную область, где еще
очень много всего можно исследовать, ну и, конечно, практическую область –
инженерные задачи, в которых можно выходить на патенты и производство», –
резюмировала Ольга Лобода.
Научный тандем продолжает совершенствовать новое
устройство и полученный материал. В будущем ученые намерены передать свои
наработки в большую промышленность для изготовления высокотехнологичного
продукта из пластика будущего.
Источник (текст и фото): пресс-служба
Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.