Nuo plytų iki nanomedžiagų: kas tai yra kompozitai ir įdomioji jų evoliucija

Kas yra kompozitinės medžiagos? Kaip gerokai pagerinti audinio ar metalo savybes? Kaip kuriamos naujos medžiagos? Iš ko pagaminta ateitis?

Skirtingų medžiagotyros sričių specialistai pasakoja, kaip kilo idėja kurti kompozitines medžiagas, kas bendro tarp pirmųjų plytų ir nanotechnologijų ir kas yra „protingos“ medžiagos.

Pirmosios kompozitinės medžiagos

Kompozitinių medžiagų istorija labai sena. Pirmosios užuominos apie juos mus pasiekė iš Mesopotamijos kur maždaug 5000 m.p.m.e žmonės darė valtis, padengdami jas derva. Dar vienas senovinis kompozitas — Egipte ir Mesopotamijoje statybai naudotos iš molio ir šiaudų darytos nedegtos plytos. Kai kurios iš šios medžiagos suręstos konstrukcijos sulaukė netgi mūsų dienų. Žmonės jau tada suprato, kad dvi skirtingų savybių medžiagos papildo viena kitą ir gautas produktas yra kažkas geresnio, nei komponentų suma.

Pirmiesiems kompozitams derėtų priskirti betoną ir statybinius mišinius, kuriuos gerai išmanė, pavyzdžiui, senovės romėnai. Šie mišiniai buvo sukurti jau ne intuityviai, o sąmoningai, iš komponentų, kur vienas — smėlis, žvyras — atliko armavimo funkciją, o antrasis komponentas juos surišdavo, paskirstydavo apkrovą ir paversdavo medžiagą monolitu. Kadaise panaudoti principai veikia ir dabar.

Šiuolaikiniai kompozitai

Dabar kompozitinės medžiagos — mišinys iš dviejų ar daugiau būtinai skirtingų medžiagų: metalų, anglies, keramikos ar polimerų. Tarp šių medžiagų privalo būti bent viena skiriamoji riba. Komponentų kiekiai turi būti sulyginami — antrojo komponento privalo būti ne mažiau nei 5%. Yra daugybė mišinių iš dviejų polimerų, tačiau jie kompozito apibėžimo neatitinka, tačiau apibrėžimų ribos gan sutartinės.

Kas iš ko? Testas apie kompozitus

Tikra šiuolaikinių kompozitų era prasidėjo XIX amžiuje. Tada buvo padaryti ryškūs atradimai dabar mūsų kasdien naudojamų medžiagų srityje. Nuo XIX amžiaus kompozicinių medžiagų srityje padaryti atradimai — dabar mūsų naudojamų medžiagų pirmtakai.

Tada buvo atrasti kaučiukai, o iš jų gaminamos gumos – tipiškos kompozicinės medžiagos. Antrasis šių elastiškų medžiagų komponentas — techniniai suodžiai — didina gumos stiprumą ir atsparumą ilgoms deformacijoms, kas būtina, pavyzdžiui, automobilių padangoms.

Polimeriniai kompozitai

Dabar, kalbėdami apie „kompozicines medžiagas“ dažniausiai galvoje turime anglies ir stiklo pluošto plastikus. Juose anglies ar stiklo pluoštą jungia polimeras — dažniausiai poliesterinės ar epoksidinės dervos. Pluoštas medžiagai suteikia fenomenalų mechaninį tvirtumą, o rišančioji medžiaga perskirsto apkrovą.

Stiklo pluošto išradimo istorija nukelia į XIX amžiaus antrąją pusę. To amžiaus aštuntajame dešimtmetyje pradėta stiklo pluošto gamyba. Po to labai greitai jis pradėtas derinti su kitomis medžiagomis.

Reikšmingu polimerinių kompozitų technologijos žingsniu tapo praėjusio amžiaus ketvirtajame dešimtmetyje sukurtos poliesterinės dervos, su kuriomis imtas kombinuoti stiklo pluoštas. Nuo tada prasideda sprogstama stiklo plastikų raida. Pagrindiniu sėkmingu stiklo pluošto naudotoju tapo laivų statyba: iš jų daromi valčių ir katerių korpusai. Be to, jie naudojami aviacijos ir automobilių konstravimo pramonėje.

Rišančiosios epoksidinės medžiagos iki šiol yra nepakeičiamas kompozicinių medžiagų komponentas. Epoksidinio reakciją, tapusia visos epoksidinių dervų technologijos pagrindu, 1909 metais atrado chemikas Nikolajus Priležajevas. ketvirtajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje epoksidinių dervų tyrimai sparčiai vystėsi, ir pirmą kartą pradėti plačiai naudoti kompozitų gamybai.

Kompozitinių medžiagų vystymuisi milžinišką vaidmenį suvaidino anglies pluošto technologijos atradimas ir plėtojimas. Anglies pluoštas dar lengvesnis ir tvirtesnis už stiklo pluoštą. Anglies pluoštą vienas iš pirmųjų 1880 metais sukūrė Tomas Edisonas. Jis kaitinant augalų pluoštą gautas anglies gijas panaudojo kaip lempos kaitinimo elementą. Vėliau jie buvo pakeisti patikimesnėmis volframo gijomis, ir atradimas buvo pamirštas, tačiau jis tapo šiuolaikinių anglies pluošto kompozitų pirmtaku. Dabar pasiekti fenomenalūs anglies pluošto gamybos rezultatai: jo trūkimo riba siekia 12 gigapaskalių, o geriausių pavyzdžių stambumo modulis siekia 1000 GPa.

Anglies plastikai

Anglies plastikai ilgai naudoti tik kosmoso ir aviacijos pramonėje, o automobiliuose pradėti naudoti tik tada, kai devintajame dešimtmetyje pirmasis anglies pluošto bolidas nugalėjo tarptautinėse automobilių lenktynėse. Tai buvo gera reklama, į kompozitinių medžiagų sritį pritraukusia išteklius.

Polimerinių kompozitų didžiausiais naudotojais ir toliau lieka aviacijos ir kosmoso pramonė. Antroje vietoje – automobilių pramonė. Dar viena šių medžiagų panaudojimo sritis — sporto inventorius: golfo ir ledo ritulio lazdos, teniso raketės ir sportinės rogės gaminamos iš anglies pluošto plastikų.

Anglies ir stiklo plastikai yra lengvi ir stiprūs, tačiau neatlaiko aukštų temperatūrų. Kompozitai su epoksidine rišamąja medžiaga dažniausiai naudojami ne aukštesnėje, nei 100–120 °C temperatūroje. Teorinė bet kokių polimerinių rišančiųjų medžiagų naudojimo riba — 400 °C, išimtiniais atvejais — 500 °C. Aukštas temperatūras atlaikančių detalių gamybai naudojama keramika — lengva ir karščiui atspari medžiaga. Tačiau keraminės medžiagos turi didelį trūkumą: jos trapios. Jų tvirtumą galima padidinti, naudojant armavimą, tai yra, į keramikos matricą pridedant metalo ar anglies pluošto. Kompozitinės keramikos atlaiko iki 2000 °C kaitrą ir naudojamos kaip ugniai atsparios dangos aviacijoje ir raketinėje technikoje.

Visus išvardintus atradimus galima priskirti konstrukcinėms medžiagoms. O yra dar ir funkcinių medžiagų sritis. Joje yra tam tikrą funkciją atliekantys polimerai. Tai gali būti antifrikciniai, laidūs šilumai, šilumą izoliuojantys, laidūs elektrai priedai. Kartais prisireikia medžiagų, pasižyminčių ir konstrukcinėmis, ir funkcinėmis savybėmis. Tokių medžiagų pavyzdys – sintaktinės putos. Jos plačiai naudojamos laivų statyboje ir kosmoso pramonėje, kur reikia gero tvirtumo ir kietumo, išlaikant mažą tankį. Šios putos sudarytos iš polimerinės matricos ir stiklo rutuliukų. Kartais stiklo rutuliukai metalizuojami, kad sugertų radijo signalus.

Yra ir atvirkščiai, radijui skaidrių, plastikų. Jie būtini, pavyzdžiui, antenoms. Ant kai kurių namų stogų sumontuoti dideli balti rutuliai iš stikloplastiko. Jų viduje yra antenos, kurios signalus turi priimti ar siųsti bet kokiu oru, o stiklo plastiko sienelės radiobangų nesugeria.

Medžiagų savybių gerinimas

Medžiagos, naudojamos aviacijoje ir kosmose, elektrotechnikoje ir variklių gamyboje privalo atlaikyti aukštas temperatūras. Pavyzdžiui, kreiseriniu greičiu važiuojančio traukinio „Sapsan“ variklio detalės įkaista iki 250 °C. Čia reikia medžiagų, kurios ne tik ilgai atlaiko tokią temperatūrą, bet ir išlieka gerais dielektrikais — turi nedidelę elektrinę skvarbą.

Vandenį atstumiantys paviršiai

Atominėje energetikoje būtinos radiacijai atsparios plastmasės. Jei kabelių apvalkalai būtų gaminami iš polietileno ir polivinilchlorido, kaip įprastuose stalinės lempos laiduose, įranga greitai sugestų. Ši problema itin aštriai pasireiškė Černobylio avarijos metu: tada elektros įranga gesdavo būtent todėl, kad plastikas neatlaikydavo didelių spinduliuotės dozių.

Svarbi ir bendra polimerinių kompozitų problema yra adhezinis stiprumas, tai yra, kaip stipriai susijungia skirtingos medžiagos. Jei pluošto adhezija su matrica bloga, medžiaga irs silpniausioje vietoje – ties paviršių riba – ir visa detalė suskils. Smarkiai apkraunamų medžiagų adhezija privalo būti maksimali. Ryšį tarp matricos ir pluošto galima aktyvuoti cheminiais ir fiziniais būdais.

Perspektyvi kompozitų raidos kryptis — ugniai atsparių medžiagų kūrimas. Reikia tokių dangų, kurios, kilus gaisrui, neleistų užsidegti visam pastatui, o saugotų nuo didelio karščio. Daugelis interjere naudojamų polimerų — tarkime, polivinilchlorido dažai ar linoleumas, baldai iš porėto poliuretano — degdami išskiria nuodingas dujas, kurios tampa didžiausią žalą darančiu faktoriumi: žmonės gaisro metu apsinuodija plastikais. Todėl naujuose gaminiuose naudojamos ugniai atsparios kompozitinės medžiagos. Transporto priemonių gamyboje ir statyboje bręsta ugniai atsparių polimerinių medžiagų revoliucija. Šios medžiagos pirmiausiai turi būti diegiamos ten, kur yra technogeninių katastrofų grėsmė.

Nanokompozitai

Viena iš perspektyviausių medžiagotyros vystymosi krypčių — darbas su vis mažesnio mastelio struktūromis, ekologiškų medžiagų paieška ir gamtinių medžiagų pritaikymas. Kompozitinių medžiagų šios tendencijos irgi neaplenkė — atsirado nanokompozitai.

Nanokompozituose viena iš medžiagų — matrica ar užpildas — sudaryta iš dalelių, mažesnių nei 100 nanometrų. Tada galima sakyti, kad tai – nanokompozitas. Kaip nanoužpildas dažnai naudojamos tiek organinės, tiek neorganinės dalelės: anglies, metalų ir oksidų nanodalelės, nanovamzdeliai ir panašios į grafeną struktūros, o taip pat, pavyzdžiui, biostruktūros, pradedant biopluoštais ir baigiant DNR ar RNR grandinėlėmis — susilanksčiusios jos yra nanometrų dydžio eilės.

Keičiant paviršiuje esančių atomų skaičiaus santykį su nanokomponento atomų skaičiumi, galima iš esmės pakeisti galutinės medžiagos savybes. Be naujų fizikinių ir mechaninių savybių, galima pagerinti elektrines, termines, elektrochemines ir kitas savybes, netgi biosuderinamumą.

Nanomedžiagos

Tradicinių kompozitų fizikomechaninės savybės svarbiausios, kuriant stambias detales ar konstrukcijos elementus, pavyzdžiui, lėktuvų sparnus. Į klasikinius kompozitus pridedamos nanostruktūros gali pagerinti jų savybes. Polimeriniai kompozitai gali būti papildomai armuojami nanopluoštu, metaliniais nanostrypeliais, anglies ar azoto borido nanovamzdeliais. Nanodalelės sumaišomos su derva, ir jeigu nesusiburia į aglomeratus, o pasiskirsto tolygiai, gali smarkiai pagerinti kompozito fizikomechanines savybes – jis gerokai sutvirtėja. Nanodalelių paviršiaus plotas labai didelis, todėl jų adhezija – prilipimas prie kitų medžiagų – geresnė. Savybes gerokai pakeisti gali ir vos keli procentai nanomedžiagų.

Yra tokia sąvoka „perkoliacijos slenkstis“. Pasiekus šį slenkstį, formuojasi tolygus vienas su kitu susietų nanostrypelių tinklas. Tinkamai parinkus visus techninius procesus, kad būtų pasiektas perkoliacijos slenkstis, be ryšių tarp atskirų nanostrypelių su derva, jie dar susiriša ir tarpusavyje – veikia kaip papildomas armuojantis komponentas.

Nanovamzdeliais, nanopluoštu ar kitomis nanodalelėmis galima papildyti ne tik polimerus, bet ir metalus. Nanodalelės metaluose gerai išsiskirsto ir sudaro armuojančius tinklus — medžiaga tvirtėja, atsparesnė korozijai, pagerėja elektros laidumas. Tokios medžiagos dažniausiai naudojamos kariniais tikslais — kuriant šarvus.

Labai tikėtina, kad jau greitai nanokompozitai bus plačiai naudojami medicinoje – tiksliniam vaistų pristatymui, įvairių jutiklių ir implantų kūrimui ir taip toliau. Pavyzdžiui, tiksliniam vaistų pristatymui galima panaudoti kompozicinę medžiagą iš polimero ir nanodalelių, prie kurios pritvirtinamas vaistas, o patekęs į reikiamą organizmo vietą, polimeras suardomas išoriniu poveikiu, ir, tarkime, į auglį patenka didelė vaisto dozė. Nuostabu tai, kad toks terapeutinis nanokompozitas gali prasiskverbti į tas organizmo dalis, kurių klasikiniai vaistai nepasiekia.

Ryški tendencija — bioskaidžios medžiagos, bioskaidžios pakuotės, medžiagos žaizdų gydymui ir taip toliau. Naudojant nanostruktūras, galima sukurti ugniai atsparias ekologiškas medžiagas, taip išsprendžiant daugelį statybos problemų.

„Protingos“ medžiagos

Dar viena svarbi ateities medžiagotyros kryptis — „protingos“ medžiagos, galinčios kontroliuojamai keisti savo savybes, priklausomai nuo išorės poveikio: reaguoti į kintantį slėgį, šilumos ar elektrinio signalo pokytį. Šiuolaikinės protingos medžiagos keičia savo formą ir netgi savarankiškai „užsigydo“ dėl pažeidimo atsiradusius plyšius.

Protingos medžiagos egzistuoja jau ganėtinai seniai. Pavyzdžiui, žiebtuvėliuose naudojami pjezoeletrikai — irgi protingos medžiagos: slegiama pjezokeramika sukuria elektros kibirkštį.

Praėjusio amžiaus aštuntajam ir devintajame dešimtmetyje protingos medžiagos imamos naudoti medicinoje — tai įvairūs lydiniai, atsimenantys formą, pavyzdžiui, nitinolas. Jos naudojamos kaip sugriebiantys įrenginiai, atliekant chirurgines manipuliacijas ir mažai invazinėse operacijas, jei reikia išplėsti, ar atvirkščiai – susiaurinti kraujagyslių sieneles ar ištraukti akmenį iš šlapimtakio. Išlankstyta viela, tam tikroje temperatūroje įgauna pradinę formą. Į kraujagyslę įvesta atšaldyta sulankstyta vielutė nuo kūno šilumos išsilanksto ir praplečia kraujagyslės sieneles, taip atkurdama kraujotaką.

Iš protingų medžiagų gaminami savaime įsistatantys implantai: per nedidelį pjūvį galima įstatyti implantą, o jis savaime išsilanksto ir įsistato į kaulo defektą.

Plyšius užtaisančios medžiagos

Savaime atsistatančios medžiagos pradėtos aktyviai vystyti, atsiradus finansavimui aerokosminėje srityje, kur yra kuriami skraidančių aparatų paviršiai, kuriuos pažeidus, jie gali užgyti patys. Šios technologijos panaudojamos ir kare: jeigu pramušamas kuro bakas, skylutė gali užsitraukti ir degalai nenutekės. Automobilių pramonėje labai gera idėja — savaime atsistatantys dažai, kurie neleistų mažiems įbrėžimams tapti korozijos židiniais. Šiuolaikinis savaime atsistatančių medžiagų panaudojimas — elektroninių įrenginių paviršiuose, pavyzdžiui, telefonų ekranai, užsigydantys įbrėžimus ir įtrūkimus.

Į slėgį reaguojantys ribinių deformacijų jutikliai fiksuoja perkrovas, ir medžiaga gali sureaguoti į viršijamas deformacijas, keisti savo charakteristikas — tai itin svarbu laikančiosioms konstrukcijoms.

Protingų medžiagų ateitis — aviacijos ir kosmoso pramonė. Tai, pavyzdžiui, savaime išsilankstantys moduliai, kurie į orbitą iškeliami sulanktyti, o kosmose išsilanksto patys be sudėtingų mechanizmų. Tokius projektus vysto NASA ir karinės organizacijos, pavyzdžiui, DARPA.

Civilinių lėktuvų elementai irgi galėtų būti adaptuojami, tarkime, keičiamos aerodinamikos sparno dalys: dabar užsparniai pakeliai ir nuleidžiami mechaniškai, o protingos medžiagos sparno konfigūraciją galėtų gerokai pakeisti.

Konceptas, pamažu iš priešakinių mokslo pozicijų pereinantis į praktiką, — lankstūs polimeriniai robotai. Jie gali keisti savo konfigūraciją ir potencialiai galėtų būti naudojami gelbėjimo operacijose: sulankstyti patekti po nuolaužomis, o paskui išsilankstyti ir rasti nukentėjusiuosius. Protingos medžiagos — gan sena sritis ir didelė tyrimų sritis, kurios laukia dar didesnė ateitis.