Для космоса и не только. ГНЦ «Центр Келдыша» завершает исследования самозалечивающихся материалов
Сотрудники "Центра Келдыша" и их разработки на МАКС-2021
Одним из перспективных направлений в области материаловедения является создание т.н. самозалечивающихся материалов. Это особые композиты, способные самостоятельно восстанавливать поврежденные участки с сохранением основных механических характеристик. Разработка самовосстанавливающихся композитов ведется за рубежом и в нашей стране. Основные отечественные проекты в этом направлении создаются в ГНЦ «Центр Келдыша» из состава «Роскосмоса».
Перспективное направление
«Центр Келдыша» совместно с Российским фондом фундаментальных исследований и рядом других научных организаций занимается темой самозалечивающихся материалов в течение нескольких последних лет. Уже найдены основные идеи и концепции, а также проведены исследования конкретных соединений и композитов на их базе. О достигнутых успехах неоднократно рассказывалось в рецензируемых журналах. Кроме того, образцы новых материалов демонстрируются на выставках.
Актуальный вариант перспективного композита демонстрировался на прошедших выставках МАКС-2021 и «Армия-2021». Он уже прошел лабораторные испытания, в ходе которых подтвердил расчетные способности к восстановлению после проколов и порезов. На опытных образцах быстро и качественно «затягивались» повреждения размером до нескольких миллиметров.
Как сообщает организация-разработчик, научно-исследовательская работа по перспективному проекту будет завершена уже в декабре этого года. Дальнейшие планы пока не раскрывались. Возможно, «Центр Келдыша» и другие предприятия начнут проработку вопросов внедрения нового композита в практику.
Демонстрируемый сейчас самозалечивающийся композит представляет собой многослойный мягкий материал, пригодный для изготовления различных изделий. Прежде всего, речь идет о надувных элементах различного назначения. Это могут быть обитаемые отсеки с воздушной атмосферой, баки для жидкостей и т.д.
Новый материал
В основе перспективного композита лежит вещество боросилоксан и его соединения. Применяемые в композите соединения имеют свойства неньютоновской жидкости, за счет которых и обеспечиваются необходимые функции – способность выдерживать статические нагрузки и восстанавливаться при повреждениях.
Свойства боросилоксана: а) - отскок за счет упругости при ударной нагрузке; б,в) - текучесть под действием силы тяжести; г,д) - растяжение вещества
На основе боросилоксана можно создавать разные композиты, в целом имеющие схожую архитектуру. Предлагается система из трех слоев. Внешний и внутренний могут изготавливаться из разных материалов, дающих необходимые механические характеристики. В частности, это может быть сшитый боросилоксан – субстанция с применением волокон того или иного типа. Также испытывались силикон и стекловолокно с силиконовой пропиткой.
Между внешними слоями помещается относительно толстый слой-матрица из вязкотекучего боросилоксана в чистом виде или с наполнением волокном. Именно он использует все свойства неньютоновской жидкости и отвечает за т.н. массоперенос в область повреждения, приводящий к «залечиванию» пробоины. В зависимости от состава композита, похожие свойства могут иметь и иные слои. При этом все слои имеют свои функции, как механические, так и в процессе затягивания повреждений.
Принцип действия самозалечивающегося композита достаточно прост. Из такого материала выполняется надувное или иное изделие, предназначенное для работы с внутренней атмосферой с некоторым давлением. Последнее создает натяжение, при котором внутренний слой композита имеет свойства упругого вещества. Подобное поведение сохраняется и при ударе либо иной нагрузке.
При повреждении одного или нескольких слоев натяжение сокращается, в результате чего боросилоксан начинает проявлять свойства вязкой жидкости. Он стремится вытечь в пробоину и в результате буквально заделывает ее. Благодаря этому прекращается стравливание атмосферы из изделия, и вновь возникают нагрузки, делающие композит упругим и устойчивым к воздействиям.
Скорость восстановления повреждений зависит от архитектуры композита, от состава боросилоксановой матрицы, от характера пробоины и т.д. Мелкие вмятины и сквозные повреждения восстанавливаются за несколько секунд. Более крупные разрывы требуют до нескольких минут. Максимально возможный размер «залечиваемого» повреждения определяется толщиной внутреннего слоя и, соответственно, количеством массы, доступной к переносу. Впрочем, пока речь идет только о миллиметрах.
Для космоса и не только
«Центр Келдыша» является головным предприятием «Роскосмоса» в ряде областей. В частности, оно отвечает за развитие направления «Функциональные материалы для космической техники». Это указывает на то, что новые самозалечивающиеся материалы создаются, в первую очередь, для ракетно-космической сферы.
Схема работы (слева) и сечение композита (справа)
Предлагаемые композиты имеют несколько важных особенностей. Помимо способности к восстановлению они имеют малую массу и являются гибкими. Все это позволяет использовать их как конструкционные материалы для некоторых изделий и объектов, дающие некоторый уровень защиты. Кроме того, их можно применять вместе с другими материалами в качестве дополнительной защиты от механических повреждений.
К примеру, самозалечивающийся композит может использоваться как защита космического аппарата от мусора или микрометеоритов. Такой материал будет принимать на себя удары мелких объектов и гасить их энергию, не позволяя им повреждать основные агрегаты корабля. Кроме того, композит сможет заделывать отверстия, что продлит сроки службы всей системы.
Также новые композиты могут найти применение в скафандрах следующего поколения. При этом возможно создание скафандров как для работы на орбите, так для лунной программы. В обоих случаях свойства новых материалов будут полезными и улучшат эксплуатационные свойства скафандров.
В отдаленном будущем самозалечивающиеся материалы можно будет использовать при строительстве долговременных сооружений, например станций на Луне. Композитный купол необходимых размеров будет легче любых других конструкций, что упростит его доставку и монтаж. Кроме того, при помощи боросилоксана будет решена проблема мелкого ремонта и утечек вследствие «атак» микрометеоритов.
Естественно, композиты с возможностью восстановления можно применять не только в космосе, но и на Земле. Из них можно делать емкости разного назначения, возможно применение при строительстве техники или сооружений и т.д. В целом все сводится к необходимости и целесообразности применения таких материалов в конкретных проектах.
Опыты и практика
Впрочем, пока перспективный проект «Центра Келдыша» и смежных организаций находится только на стадии научно-исследовательских работ. Их завершат в конце года, и тогда будут ясны основные результаты и реальные перспективы направления. Тогда же появится возможность проработки вопросов внедрения новых материалов в реальные проекты.
В теории, самозалечивающиеся материалы могут найти применение в самых разных сферах и имеют большое будущее. Однако до сих пор их внедрение было невозможным по причине отсутствия проработанных и «технически зрелых» составов и рецептур. Решение этой задачи приближается к желаемому финалу – и вскоре новая технология окажется в руках конструкторов ракетно-космической техники.
- Рябов Кирилл
- ГНЦ "Центр Келдыша"
Информация