КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 18-73-00211

НазваниеОсобенности создания гибридных структур на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена

РуководительЧуков Дилюс Ирекович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС", г Москва

Срок выполнения при поддержке РНФ07.2018 - 06.2020

КонкурсКонкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов

Ключевые словакомпозиционные материалы, сверхвысокомолекулярный полиэтилен, СВМПЭ волокна

Код ГРНТИ61.61.29


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Целью данного проекта является разработка научных основ получения новых полимерматричных композиционных материалов, обладающих улучшенными физико-механическими, трибологическими и другими эксплуатационными свойствами. В качестве объекта исследований выступает сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) и волокна на его основе, обладающие уникальным набором характеристик, включая рекордно высокие значения удельной прочности, низкий коэффициент трения и высокую износостойкость. Разработка методов получения самоармированных композиционных материалов на основе СВМПЭ волокон и гибридных структур на основе СВМПЭ путем совмещения полимера с изотропной и ориентированной структурой позволит получить материалы, сочетающие в себе преимущества различных форм данного полимера. Разрабатываемые методики получения должны обеспечивать сохранение ориентированной структуры СВМПЭ волокон, формируя при этом прочную границу раздела как между отдельными волокнами в самоармированном композите, так и между изотропными и ориентированными частями получаемых гибридных структур. Исследования будут направлены на изучение особенностей адгезионного взаимодействия в получаемых композитах, обеспечивающих достижение требуемого уровня упруго-прочностных свойств разрабатываемых материалов. Разрабатываемые подходы получения композиционных материалов, обладая несомненной научной новизной и актуальностью, открывают новые перспективы практического применения материалов на основе СВМПЭ в различных отраслях промышленности.

Ожидаемые результаты
В процессе выполнения проекта будут разработаны лабораторные технологии получения новых композиционных материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Использование разработанных подходов по получению этих материалов позволит изготовить экспериментальные образцы и провести комплексное изучение их механических, трибологических и других эксплуатационных свойств. Будут описаны особенности формирования самоармированных композиционных материалов на основе СВМПЭ волокон. Будут разработаны методы и подходы совмещения СВМПЭ с ориентированной и изотропной структурой, обеспечивающих достижение требуемого уровня эксплуатационных свойств. На основе полученных гибридных структур возможно изготовление изделий трибологического назначения, включая подшипники скольжения, направляющие, ролики, механические передачи и приводы и др. Одной из предполагаемых областей применения разработанных материалов являются индивидуальные средства бронезащиты, так как на сегодняшний день СВМПЭ волокна и композиты на его основе считаются наиболее перспективными для такого рода изделий. Цели и задачи данного проекта имеют высокую научную новизну. Впервые будут разработаны методы и подходы, позволяющие получать гибридные структуры на основе СВМПЭ путем совмещения изотропной и ориентированной структуры. Несомненной научной новизной является то, что ориентированная часть будет представлена СВМПЭ волокнами и самоармированными композитами на их основе, в то время как изотропная составляющая будет представлять собой стандартный СВМПЭ, который уже нашел широкое применение в различных областях науки и техники. Впервые будут проведены исследования по формированию прочной границы раздела между изотропной и ориентированной частями композиционных материалов, что позволит обеспечить достижение требуемого уровня упруго-прочностных свойств. Будут получены новые знания о процессе консолидации, механизмах взаимодиффузии, влияния внешних условий на формирование структуры и свойств получаемых композитов. На базе полученных знаний будет спроектирован новый класс гибридных (слоистых) композиционных материалов с возможностью локального регулирования жесткости в широких пределах. Совмещение материалов на молекулярном уровне, без использования дополнительных добавок и обработки, позволит сохранить высокие биоинертные свойства полимера, что является несомненным преимуществом при использовании данных материалов в качестве полимерных вкладышей при эндопротезировании крупных суставов. Результаты проекта обладают высокой научной и практической значимостью и полностью соответствуют, а иногда даже превосходят, мировой уровень исследований в данной области. Так, например, изготовление самоармированных композиционных материалов на основе полимерных волокон является одной из перспективных материаловедческих задач последнего десятилетия, так же как и получение гибридных структур на основе различных полимеров конструкционного и функционального назначения. В текущей литературе информации об использовании СВМПЭ волокон при получении гибридных или слоистых композиционных материалов, не обнаружено. Следовательно, планируемые результаты будут обладать высоким потенциалом для публикации в ведущих мировых изданиях, посвященных науке о материалах, а так же могут быть оформлены в качестве объектов интеллектуальной собственности.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Данный проект направлен на разработку научных основ получения новых полимерматричных композиционных материалов, обладающих улучшенными физико-механическими, трибологическими и другими эксплуатационными свойствами. В качестве объекта исследований выступает сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) и волокна на его основе, обладающие уникальным набором характеристик, включая рекордно высокие значения удельной прочности, низкий коэффициент трения и высокую износостойкость. Разработка методов получения самоармированных композиционных материалов на основе СВМПЭ волокон и гибридных структур на основе СВМПЭ путем совмещения полимера с изотропной и ориентированной структурой позволит получить материалы, сочетающие в себе преимущества различных форм данного полимера. В рамках выполнения 1 этапа настоящего проекта были проведены исследования процесса получения самоармированных композиционных материалов (СКМ) на основе волокон сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Получение самоармированных композиционных материалов из волокон представляет собой довольно сложную научно-техническую задачу, так как, с одной стороны, надо максимально сохранить ориентированную структуру волокон, с другой стороны, необходимо в достаточной мере расплавить волокна, чтобы сформировать матрицу композиционного материала. Было показано, что при нагреве СВМПЭ волокон до температур, близких или превышающих их температуру плавления, наблюдается частичная или полная потеря ориентированного состояния. В работе была предложена методика получения СКМ, при которой горячее прессование, за счет использования высоких давлений, предотвращающих релаксационные процессы, будет приводить к плавлению только поверхности СВМПЭ волокон, при охлаждении расплавленная часть будет затвердевать и связывать структуру вместе, формируя матрицу композиционного материала. Были получены образцы самоармированных композиционных материалов при давлениях прессования 25, 50 и 75 МПа, и температурах 145-165 °С. Установлено, что как температура, так и давление могут оказывать существенное влияние на степень переплавления СВМПЭ волокон, что позволяет варьировать соотношение матричной и армирующей фаз, а значит, и физико-механические характеристики получаемых материалов. Были проведены комплексные исследования структуры, физико-механических, трибологических, и других свойств композиционных материалов. Проведенные исследования показали, что свойства разрабатываемых СКМ определяются двумя взаимосвязанными факторами. Первый из них - это релаксационные процессы в СВМПЭ волокнах при их нагреве до температур, близких или превышающих температуру их плавления. Вторым фактором является формирование матричной фазы путем рекристаллизации переплавленной части волокон. Установлено, что сохранение высокой степени ориентации, а значит, и высоких механических свойств без формирования необходимого и достаточного количества матричной фазы, не позволяет получать материалы с высокими механическими характеристиками. Необходимо использовать оптимальные температуры и давления, обеспечивающие достижение формирования требуемой доли матричной фазы, максимально сохранив при этом свойства исходных волокон. Было показано, что для полученных СКМ модуль упругости характеризуется степенью сохранения ориентированной структуры исходных волокон, а прочность композитов, главным образом, определяется, состоянием границ раздела, т.е. способностью матрицы передавать нагрузку на волокна. Проведенные исследования показали, что оптимальными свойствами обладают образцы, полученные при температуре 160 °С и давлении 50 МПа. Полученные результаты представляют несомненный научный и практический интерес и могут быть использованы при разработке нового класса композиционных материалов с повышенными эксплуатационными свойствами.

 

Публикации

1. Дайюб Т, Максимкин А.В., Калошкин С.Д., Колесников Е.А.,Чуков Д.И., Дьячкова Т.П., Гутник И.В. The structure and mechanical properties of the UHMWPE films modified by the mixture of graphene nanoplates with polyaniline Polymers, Volume 11, Issue 1, 23 (год публикации - 2018).


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В рамках выполнения проекта предложен подход к получению гибридных композиционных материалов на основе СВМПЭ, совмещающих в себе сверхвысокомолекулярный полиэтилен с изотропной и ориентированной структурой, и проведены исследования структуры и свойств полученных материалов. Под гибридными композиционными материалами подразумеваются композиты, состоящие из двух или более слоев (слоистые композиционные материалы), и данные слои представлены полимером (СВМПЭ), обладающим различной надмолекулярной структурой. В данной работе один из слоев был представлен изотропным СВМПЭ, а другой самоармированными композиционными материалами (СКМ) на основе СВМПЭ, исследованию которых были посвящены работы на первом этапе выполнения проекта. Для получения образцов гибридных композиционных материалов использовался метод термического прессования в интервале температур от 155 °С до 170 °С и давлениях 25 МПа и 50 МПа. Время нагрева составляло 50 минут, а время выдержки при заданной температуре 10 минут. Принцип получения гибридных композиционных материалов, один из слоев которых представлен СКМ, основан на ранее разработанной методике, согласно которой термическое прессование приводит к плавлению только поверхности каждого из исходных волокон, расплавленная часть после охлаждения образует матрицу СКМ с изотропной структурой. Объемная доля переплавленных СВМПЭ волокон может изменяться в зависимости от температуры и давления при термопрессовании. Переплавленная часть волокон по своей надмолекулярной структуре очень близка к формируемой из порошка СВМПЭ изотропной структуре, и в результате совместного термопрессования слоев из СКМ и изотропного СВМПЭ образуется монолитный материал, граница раздела в котором образуется за счет взаимодиффузии полимерных цепочек. Были проведены исследования сдвиговой прочности границы раздела СКМ/изотропный СВМПЭ, в зависимости от режимов получения образцов. Установлено, что более высокие температуры термического прессования приводят к увеличению прочности на сдвиг, что обусловлено лучшей консолидацией изотропного и самоармированного СВМПЭ в результате увеличения доли переплавленных волокон. Однако при этом доля сохранившихся волокон уменьшается, что сопровождается снижением механических свойств получаемых композитов. Испытания на изгиб гибридных композиционных материалов, полученных при различных режимах термопрессования и с различным соотношением толщин самоармированного и изотропного слоев, показали, что механические свойства определяются, главным образом, условиями получения этих материалов, а именно, наблюдается повышение предела прочности и снижения модуля упругости при повышении температуры термопрессования. Толщина слоя СКМ в слоистых гибридных композитах также оказывает существенное влияние на механические свойства материала, и чем больше толщина слоя СКМ, тем выше предел прочности и модуль упругости полученных материалов. Исследования границы раздела между СКМ и изотропным СВМПЭ показали, что в композитах, полученных при оптимальных режимах термопрессования, формируется однородная поверхность раздела без разрывов и структурных дефектов. В поперечном срезе композита четко прослеживаются 3 основных его компонента: изотропный СВМПЭ, матрица СКМ и СВМПЭ волокна. Сама граница раздела сформирована градиентным диффузионным слоем, толщиной не более 1 мкм, образованным в результате взаимодиффузии полимерных цепочек в процессе термопрессования. Такая граница раздела обеспечивает эффективную передачу нагрузки между слоями и приводит к относительно высокой сдвиговой прочности. Таким образом, предлагаемый подход к получению гибридных композиционных материалов позволяет получать материалы, свойства которых могут контролируемо изменяться в зависимости от условий получения, так как условия термопрессования не только будут варьировать соотношение матрицы к армирующим волокнам, но и оказывать существенное влияние на прочность границы раздела в полученных композитах. Кроме того, изменяя соотношение между толщинами слоев, их количество и расположение, можно добиваться требуемых технико-экономических характеристик получаемых материалов, получая тем самым изделия, функциональные свойства которых будут максимально близки к требуемым в данной конкретной области применения. Полученные материалы могут быть использованы в качестве защитных антифрикционных материалов в различных узлах трения, например, когда поверхности трения будут образованы ориентированной структурой СВМПЭ, а основной объем материала – изотропной. Это позволит при сохранении себестоимости изделий практически на прежнем уровне, обеспечить более длительный и бесперебойный срок службы узлов терния за счет более высокой износостойкости и низкого коэффициента трения СВМПЭ волокон по сравнению с изотропным полимером.

 

Публикации

1. - Ученые РФ создали универсальный материал из сверхвысокомолекулярного полиэтилена Будущее России, - (год публикации - ).

2. - Создан новый композиционный материал из сверхвысокомолекулярного полиэтилена Газета.ru, - (год публикации - ).

3. - Из сверхвысокомолекулярного полиэтилена создали новый композитный материал Индикатор.ру, - (год публикации - ).

4. Дмитрий Жеребцов, Дилюс Чуков, Валерий Торохов, Евгений Статник Manufacturing of Single-Polymer Composite Materials Based on Ultra-High Molecular Weight Polyethylene Fibers by Hot Compaction Journal of Materials Engineering and Performance, 29, 1522–1527 (год публикации - 2020).

5. Дмитрий Жеребцов, Дилюс Чуков, Валерий Торохов, Евгений Статник Hybrid Self-Reinforced Composite Materials Based on Ultra-High Molecular Weight Polyethylene Materials, 13(7), 1739 (год публикации - 2020).

6. Чуков Д.И., Жеребцов Д.Д., Олифиров Л.К., Торохов В.Г., Максимкин А.В. Comparison between self-reinforced composites based on ultra-high molecular weight polyethylene fibers and isotropic UHMWPE Mendeleev Communications, - (год публикации - 2020).