УДК 66.017

Природные и искусственные конструкционные материалы

Ал. Ал. Берлин, А.Ю. Шаулов

Институт химической физики им. Н.Н. Семенова

Berlin@chph.ras.ru

Аннотация: Материалы, которые использовал человек в своей деятельности, всегда играли важную, а часто и определяющую роль в прогрессе цивилизации. Они даже дали названия целым этапам развития человечества: каменный век, бронзовый век, железный век… Конечно, сейчас круг материалов, созданных и используемых в быту и технике, особенно военной, чрезвычайно широк. Однако с небольшой долей пристрастности современную эпоху можно назвать веком полимеров. В этой статье попытаемся показать, что человек взял у природы, а что придумал новое и где ее обогнал, стал делать лучше; где еще есть резервы, что природа пока еще делает лучше – это, наверное, самое интересное.

Natural and artificial constructional materials

Al.Al. Berlin, A.Y. Shaulov

Semenov Institute of Chemical Physics of RAS

Berlin@chph.ras.ru

Abstract: Materials used by man in his activities have always been playing an important and even decisive role in the development of the civilization. It is not accidental that they gave names to the whole historical epochs: Stone, Bronze, Iron Age… Modern epoch can be called the Polymer Age. In the report attempt to show that the man has taken from the nature and that he contrived himself; where he has overtaken it and began to make better and where still there are resources for search, and also that the nature for the present makes better the man.The man is ahead of the nature in many fields relating to creation of new materials. He creates number metals and alloys resistant to various loads. We use oil as a raw material and synthesize a great number of organic polymers and high-strength fibers. Processings of various materials, especially polymeric, developed by the man have huge advantages than natural one. We created composites with record strength and heat-resistance.

At the same time, there is a considerable lag in the development of gradient structures. Plastic ceramics is still a dream of the mankind. Inorganic polymers, inorganic-organic composite materials (widespread in the nature) seem to be our future. They shall be easy to process, shall have thermal, chemical and water resistance.

Finally, we need a material, which could be used instead of oil and gas for synthesis of organic polymers and composites — it could be natural polysaccharides, cellulose, chitin, and proteins. It is necessary to develop new polymer processing methods that have less environmental impact. One more important problem (especially from ecological point of view) is reprocessing of constructional materials and subsequent use of such products.

 

Копируя природу, человек ее улучшает…

Введение

Материалы, которые использовал человек в своей деятельности, всегда играли важную, а часто и определяющую роль в прогрессе цивилизации. Они даже дали названия целым этапам развития человечества: каменный век, бронзовый век, железный век… Конечно, сейчас круг материалов, созданных и используемых в быту и технике, особенно военной, чрезвычайно широк. Однако с небольшой долей пристрастности современную эпоху можно назвать веком полимеров.
В этой статье попытаемся показать, что человек взял у природы, а что придумал новое и где ее обогнал, стал делать лучше; где еще есть резервы, что природа пока еще делает лучше – это, наверное, самое интересное.

Сравнение различных конструкционных материалов

Таблица 1. Достоинства и недостатки различных материалов.

Материал	Достоинства	Недостатки
Металлы	Сочетание прочности и вязкости разрушения	Высокий удельный вес; Чем прочней, тем хрупче; Переработка
Неорганика (керамика, стекло)	Высокая прочность* и жесткость; Термостойкость; Низкий удельный вес.	Хрупкость; Сложная переработка
Органические полимеры	Сочетание прочности и вязкости разрушения; Эффективность переработки; Самый низкий удельный вес.	Низкая термостойкость; Горючесть; Низкая окислительная и радиационная стойкость
Композиты	Сочетание высокой прочности и вязкости разрушения	Сложная переработка

* В данном случае мы имеем ввиду прочность бездефектных образцов. Прочность реальных тел часто определяется наличием поверхностных или внутренних дефектов.

Можно выделить четыре основных типа конструкционных материалов, которые создала природа и человек: металлы, органические полимеры, неорганические материалы (минералы, керамика, стекло и пр.) и композиты. С точки зрения их применения каждый из них имеет свои достоинства и недостатки (см. таблицу 1). Такие представления, конечно, достаточно условны, но полезны.

При разработке новых конструкционных материалов всегда приходится искать компромисс между тремя группами свойств, как это показано на рис.1.

Рис. 1. Поиск компромисса «по Крылову»

Переработка

Получение материала и его переработка в изделие – это, пожалуй, то, где человек намного опередил природу по эффективности, скорости процессов.

Природа никогда никуда не спешила! Все «изделия» делала медленно и сразу, грубо говоря, в одну стадию, получая изделие без предварительного получения полуфабриката – материала. Вторичная переработка тоже медленная, через полное разложение изделия биологическими способами.

У человека гораздо меньше времени, он должен был многое успеть за свою короткую жизнь. Сначала он просто брал готовые, сделанные природой материалы – ломал сучья у деревьев, делая например копье или лук, обрабатывал камни и дерево, да и сейчас использует природные материалы, применяя более изощренные методы переработки.

Затем научился работать с металлами – выплавлять, лить заготовки и их обрабатывать, ковать, обтачивать. Параллельно он научился работать с глиной, делать керамические изделия их обжигать.

С полимерами пришли новые чрезвычайно эффективные, с малыми энергетическими затратами способы переработки – литье, экструзия, химическое формование и пр., что, наряду с удачным сочетанием физико-меха-нических свойств, способствовало широкому их распространению. В настоящее время объемы производства полимеров уже и по весу догнали объемы производства металлов, несмотря на большую разницу в удельном весе.

Температуру переработки (плавка, литье, экструзия и пр.) определяет их теплостойкость, а именно температура плавления Т_пл или температура стеклования Т_ст (размягчения). Для большинства веществ эти температуры связаны соотношением Т_ст = (0,5¸0,7)Т_пл.

Для плавления трехмерных и двумерных полимеров, представляющих собой единые макромолекулы, очевидно, необходимы разрывы химических связей и температура плавления пропорциональна энергии связи (рис.2)

Рис.2. Зависимость температуры плавления одноэлементных веществ (а) и полиоксидов (б) от энергии химической связи.

В то время как плавление линейных полимеров связано только с разрушением и перестройкой существенно менее энергоемких межмолекулярных физических взаимодействий.

Как видно плавление линейных полимеров, таких как сера, селен, теллур происходит при значительно меньших температурах и практически не зависит от энергии связи.

Температура плавления линейных полимеров определяется энергией межмолекулярных взаимодействий и жесткостью макромолекулярной цепи.

Таким образом, меняя межмолекулярные взаимодействия и жесткость цепи, мы можем достичь различной теплостойкости линейного полимера, которая сверху ограничена прочностью химических связей вдоль цепи.

В тоже время термостойкость (температура начала разложения) определяется, во-первых, энергиями связи, а, во-вторых, склонностью к окислению (материалы обычно работают на воздухе и их разложение может начинаться с реакции с кислородом воздуха). Неорганические оксиды с этой точки зрения предпочтительны, они не окисляются, не горят, да и энергии связи у них выше, чем у одноэлементных веществ и большинства органических полимеров (см. таблицу 2).

Заметим, что органические полимеры плохи еще и тем, что окись и двуокись углерода – газы, в то время как окислы большинства других элементов – твердые тела при нормальных условиях (исключение еще сера и азот).

Таблица 2. Энергии химических связей.

Гомоатомные		Гетероатомные
Связь	Энергия связи кдж/моль (ккал/моль)	Связь	Энергия связи кдж/моль (ккал/моль)
C-C	336 (80,0) (83)	B-O	499 (119,3) (115,7)*
S-S	264 (63,0)	B-N	436 (104,3) (115)*
P-P	222 (53,0)	C-B	420 (100)
Se-Se	210 (50,0)	Si-O	373 (89,3) (106,5)*
Te-Te	205 (49,0)	P-O	343 (81,7) (97,2)*
Si-Si	189 (45,0)	C-O	331 (79,0)
Sb-Sb	176 (42,0)	C-N	277 (66,0)
Ge-Ge	163 (39,2)	As-O	270 (64,5)
As-As	163 (39,0)	Al-C	258 (61,6)
N-N	155 (37,0)	C-S	258 (61,5)
O-O	142 (34,0)	Si-S	256 (60,9)
		C-Si	241 (57,6)
		C-As	229 (54,6)
		N-O	155 (37,0)
		C-H	(81)
		C-F	(120)
		Al-O	(150)

* приведены данные из различных источников

Недавно мы начали работы в этой области и приведем несколько примеров. Во-первых, был проведен цикл исследований по фосфатным стеклам (рис.3).

Рис.3. Структура фосфатных стекол, Ме+ — K, Li, Na; Ме2+ — Mg, Ba, Ca, Zn.

В зависимости от природы и концентрации оксидов металлов в таком стекле можно в очень широких пределах варьировать температуру стеклования и, следовательно, температуру переработки такого материала. В частности, были получены гидролитически сравнительно стойкие, термостойкие (начала потери веса выше 600^оС), материалы с температурой стеклования от 125^оС до 1000^оС и выше. Такие материалы могут перерабатываться стандартными методами переработки органических полимеров (литье, экструзия и т.д.) сами по себе или в смеси с органическими полимерами, делая их менее горючими а также изменяя другие свойства. Например, жесткость такой смеси повышается, износ при трении снижается по сравнению с исходным органическим полимером. Кроме того, водостойкость полифосфатов также зависит от природы и соотношения различных ионов металлов в них. Для каждого конкретного применения следует искать компромисс, учитывая, что возможность постепенного разложения во влажной среде может оказаться полезным свойством с экологической точки зрения, например для упаковочных материалов.

Оксид бора мы использовали как основу для другого типа неоргано-органических материалов при большом содержании (>70%) неорганического полиоксида с целью сохранения преимуществ неорганики и придания ей пластичности. Компьютерная модель макромолекулы оксида бора, содержащего обычное количество водорода (гидроксильных групп), показана на рис.4.

Рис.4. Вид макромолекулы оксида бора сбоку (а) и сверху (б).

Оксид бора имеет сравнительно низкую (для неорганических полимеров) температуру стеклования, которая может быть как уменьшена, так и увеличена модификацией различными органическими и неорганическими соединениями, в том числе полимерами (рис.5).

Рис.5. Зависимость температуры стеклования оксида бора от концентрации модификатора (оксиды одно и двухвалентных металлов и капролактама).

Прочность и хрупкость

Остановимся теперь на сочетании прочности и пластичности (вязкости разрушения).

Для органических полимеров характерно сочетание высокой прочности с высокой ударной прочностью, трещиностойкостью. Такое же сочетание свойственно металлам, хотя природа высокой пластичности в металлах и термопластах различна. Если в первом случае она определяется свободой движений дислокаций (из-за ненаправленной химической связи), то во втором это возможность ориентационного упрочнения материала при больших деформациях в устье трещины за счет разворачивания макромолекулярных клубков; поглощение и диссипация механической энергии в тепловую при этом может обеспечиваться крейзообразованием (трещины серебра). Кроме того, образование специфических трещин, крейзов, в которых края соединены волокнами полимера (тяжами) (рис.6), позволяет термопласту растягиваться в одном направлении без сжатия в других, не теряя несущей способности (прочности). Это облегчает его работу в сложно-напряженном состоянии в качестве матрицы в композитах и пр. Возможности ориентации и деформационного упрочнения, а также крейзообразования снижаются по мере сшивания линейного полимера (по мере увеличения густоты сетки) и теряются полностью для трехмерных полимеров типа минералов, керамик и стекол, хотя в последнем случае можно надеяться получить структуру, близкую к линейной или слабо разветвленной. С другой стороны, чем выше молекулярный вес линейного полимера, тем эффективнее процесс крейзообразования и выше вязкость разрушения, меньше хрупкость материала. Поэтому и в неорганических полимерах мы должны стремиться синтезировать высокомолекулярные соединения преимущественно линейного строения.

Рис.6. Фотографии структуры «крейзов» (трещин серебра).

Эти свойства термопластов определяют повышенную ударную прочность композитов на их основе, стойкость к распространению трещин как при статических, так и при циклических усталостных и динамических нагрузках, повышенные постударные характеристики и прочие.

Теперь о неорганических полимерах, среди которых особый интерес представляют неорганические полиоксиды, в связи с высокой энергией химических связей, негорючестью и стойкостью в окислительной среде.

Комплекс свойств этих полимеров: высокая термическая и радиационная устойчивость, негорючесть, высокие механические характеристики позволят использовать их в изделиях, работающих в экстремальных условиях, а сырьевая доступность, отсутствие летучих в процессе деструкции и возможность переработки при сравнительно низких температура, характерных для переработки обычных органических полимеров, делают этот класс неорганических полимеров чрезвычайно перспективным классом материалов.

Одной из наиболее важных задач остаётся придание им пластичности, решение которой может открыть путь к созданию пластичной керамики многоэлементных полиоксидов.

Неорганические полиоксиды могут являться альтернативой органическим полимерам, на которых уже, в основном, достигнуты предельные эксплуатационные характеристик и которые принципиально не могут обладать таким комплексом и уровнем свойств.

Как мы видели выше на примере оксидов фосфора и бора, можно регулировать температуру их переработки в широком диапазоне, модифицируя их окислами различных металлов, органическими и неорганическими соединениями. Ниже суммированы различные способы модификации, как уже проверенные экспериментально, так и перспективные.

Перспективы получения неорганических полимеров повышенной пластичности:

1. Линейные неорганические полимеры.
2. Пластификация низкомолекулярными неорганическими соединениями.
3. Модификация низкомолекулярными органическими соединениями.
4. Смеси с неорганическими каучуками.
5. Смеси с органическими полимерами.
6. Композиты, нанокомпозиты с волокнистыми и пластичными наполнителями.

Стоит обратить внимание на модификацию неорганических полимеров линейными органическими (п.5), поскольку таким образом (хотя и значительно сложнее) устроены кости, зубы, ракушки и другие природные конструкции.

Даже при сравнительно низкой пластичности эти модифицированные полиоксиды, как оказалось, могут быть использованы как негорючие связующие для композиционных материалов, например углепластиков (см. ниже), заменяющие обычные органические связующие — эпоксидные, полиэфирные и др. С точки зрения получения высококачественных композитов важно, что они демонстрируют прекрасную адгезию к наполнителям (даже выше, чем эпоксидные связующие).

Композиционные материалы

В большинстве гомогенных материалов, таких как металлы, керамика, стекло, полимеры наблюдается антагонизм между теплостойкостью и прочностью с одной стороны и пластичностью с другой. Например, чем более прочный металл мы создаем, тем он становится более хрупким, в нем легко распространяются трещины.

Природа нашла хороший способ частично решить это противоречие – создать композиционные материалы, представляющие собой комбинации двух или нескольких веществ, например волокна соединенные (склеенные) друг с другом в прочную монолитную структуру – стебли деревьев и растений, мышцы и т.д.

Такой материал (например, природная древесина или искусственный стеклопластик – стеклянные волокна с полиэфирным или эпоксидным связующим – клеем) может быть сделан из двух очень хрупких материалов, но при их комбинации становится совсем небьющимся, нехрупким, поскольку трещина останавливается на границе раздела фаз или поворачивает в неопасном направлении.

Следует отметить, что в живой природе практически нет гомогенных материалов, везде те или иные композиционные материалы, о чем будет сказано ниже.

История возникновения искусственных композиционных материалов восходит к истокам цивилизации, когда человек начал сознательно конструировать новые материалы. Первые упоминания об армированных строительных материалах можно найти в Библии. В Египте и Месопотамии строили речные суда из тростника, пропитанного битумом (прототип современных стеклопластиковых лодок и тральщиков). Изготовление мумий в Египте можно считать первым примером использования метода ленточной намотки (мумии обматывались лентой из ткани, пропитанной смолой). Все это происходило за тысячелетия до новой эры.

Словом, история полимерных композитов чрезвычайно стара. Однако настоящий бум в современном материаловедении возник в конце первой половины ХХ века, когда появились хорошие прочные и легкие стеклянные волокна и стеклопластики и из них начали делать планеры, а затем и многое другое.

Потом были созданы углеродные, борные, карбидокремниевые, органические полимерные и др. волокна и широкий набор разнообразных органических полимерных связующих и разработаны композиты для многочисленных применений.

Современная авиация, ракетно-космическая техника, судостроение, машиностроение немыслимы без полимерных композитов (армированных пластиков). Чем больше развиваются эти отрасли техники, тем больше в них используют композиты, тем выше становится качество этих материалов. Многие из них легче и прочнее лучших металлических (алюминиевых и титановых) сплавов, и их применение позволяет снизить вес изделия (самолета, ракеты, космического корабля) и, соответственно, сократить расход топлива. В результате сейчас в скоростной авиации используют от 7 до 25% (по весу) полимерных композитов и снижают вес изделия таким образом от 5 до 30%. Важно и то, что в отходы при изготовлении деталей из полимерных композитов идет не более 1030% материала, в то время как у аналогичных деталей из высокопрочных сплавов алюминия и титана, применяемых в авиации, отходы могут в 412 раз превышать массу изделия. Опыт применения полимерных композитов показал, что максимального выигрыша от их применения можно добиться, лишь творчески подходя к проектированию самолета или др. изделия, учитывая особенности свойств армированных пластиков и технологии их изготовления.

Простой пример. Металл – изотропный материал, свойства его одинаковы во всех направлениях, армированный пластик – анизотропный: например, прочность его вдоль волокон намного больше чем поперек. Не для всякого изделия необходим изотропный материал. Так, в простой цилиндрической трубе при внутреннем давлении напряжения вдоль и поперек трубы отличаются приблизительно в 2 раза. Поэтому выгоднее по радиусу разместить больше волокон (там больше напряжение), чем вдоль трубы. Такая конструкция называется равнопрочной и позволяет экономить материал.

Кроме того, при изготовлении деталей из полимерных композитов требуются меньшие трудовые и энергетические затраты, уменьшается количество производственных циклов, можно вместо большого количества мелких деталей и последующего их соединения болтами или сваркой сделать сразу одну большую.

В этой области человечество опередило природу, как по абсолютным значениям прочности таких материалов, так и по производительности методов получения и переработки их в изделия. Причем наилучшие результаты, в особенности, по удельной прочности (абсолютная прочность, деленная на удельный вес) сегодня получены на чисто полимерном (органическом) композиционном материале – полимерные волокна, склеенные полимерным связующем.

В качестве связующих для композитов могут использоваться не только органические полимеры, но металлы и керамика. Это позволяет значительно повысить рабочие температуры, но встречает много технологических проблем при получении материала и изготовлении изделий, что и определяет существенно меньшее распространение металло- и керамокомпозитов по сравнению с армированными пластиками.

Нужно отметить, что высокопрочные теплостойкие металлические сплавы, на самом деле, также имеют структуру композиционного материала, в котором есть армирующий металлический компонент и металлическое связующее.

Интересным примером композиционных материалов являются слоистые композиты, широко распространенные в живой природе. Так устроены, например, ракушки. Ракушка состоит на 90-95% из кристалликов карбоната кальция, склеенных небольшим количеством органического полимера (белка). Прочность на разрыв ракушки моллюска абалоне лежит в диапазоне от 100 до 300МПа, а вязкость разрушения варьируется а интервале от 3 до 7 МПа∙м0,5. Для монолитного же карбоната кальция (основного компонента указанных СК) эти величины равны 30МПа и <1 МПа.м0,5 соответственно (K.S. Vecchio, Synthetic Multifunctional Metallic-Intermetallic Laminate Composites, JOM, 2005 March, pp. 25-31). Аналогичным образом устроены панцыри черепахи, лобстера, раков, кости, зубы млекопитающих и пр.

Рис. 7. Микрофотографии ракушки абалоне и поверхности ее разрушения.

Диссипация энергии при нагружении и разрушении природных СК обусловлена следующими факторами и механизмами:

1. Образование множества новых поверхностей в местах разлома хрупких неорганических пластин, размножение микротрещин;
2. Изменение направления развития главных трещин при пересечении границы контакта хрупких слоев с мягкой непрочной прослойкой;
3. Сдвиговое перемещение хрупкого слоя и отрыв его от органической пленки; образование в этих местах микрошероховатостей, увеличивающих трение;
4. Формирование в слоях органики волокнистых структур, способствующих упругому и вязко-эластичному противодействию деформации СК;
5. Обрыв трещин, встречающихся со слоем органической связующей компоненты.

Все это приводит к высоким значениям энергии разрушения и повышенной стойкости таких слоистых композитов к ударным нагрузкам.

Рис. 8. Зависимость напряжения от прогиба при испытании на изгиб эпоксидной смолы и композита на ее основе.

 Аналогичные результаты были получены и для слоистых полимерных композитов и пленок.

Рис. 9. Слоистый композит из двух фольг, сложенных в книжечку.

Американские исследователи (K.S. Vecchio и др.) Придумали оригинальный способ получения слоистого композита из двух металлических фольг (алюминия и титана). Фольги складываются в книжечку и помещаются в печь, где при нагреве и давлении идет реакция и получаются жесткие прочные слои алюмината титана и остается непрореагировавшие слои титана. Этот материал имеет чрезвычайно высокую ударную прочность.

Преимущества «реакционного» метода получения СК:

1. Исходные вещества легко формуются (мягкие, пластичные фольги).
2. В процессе синтеза образуются переходные слои и улучшается адгезионная связь слоев.
3. Варьируя толщины и количества слоев, можно менять микроструктуру продукта, в том числе, получать градиентные материалы, приспособленные к конкретным условиям эксплуатации.
4. Могут использоваться сравнительно мягкие условия синтеза.
5. При охлаждении после синтеза за счет разницы коэффициентов термического расширения могут формироваться сжимающие внутренние напряжения в более хрупком компоненте (аналог напряженного железобетона).

Градиентные материалы

Большинство природных материалов отличается не только экстремально высокими физико-механическими свойствами (высокая приведенная прочность и т.п.), но входит в состав конструкций, обладающих уникальными эксплуатационными характеристиками (длительная стойкость к переменным нагрузка и т.п.). Известно, что эти материалы являются градиентными в гораздо большей степени, чем любые искусственные материалы, созданные человеком. Иными словами, в любой конструкции, образованной ими, состав и свойства соответствующего материала пространственно неоднородны, что связано с функциональным назначением данной конструкции.

Иглы таких растений, как, розы, кактусы и многие другие наряду с другими менее важными функциями выполняют основную — защищают растение от случайных или умышленных вторжений в его жизнь. В сущности близкую задачу выполняют и иглы животных и рыб. Так иглы ежей и дикобразов отлично защищают этих животных от гораздо более крупных и сильных хищников.

Определяя величину критического усилия, измеряемого путем нажатия на очень тонкий и острый кончик иглы кактуса, с ростом силы нажатия вплоть до поломки иглы, получаем чрезвычайно высокую характеристику, недоступную гомогенным иглам из достаточно прочных конструкционных металлов. То же относится к свойствам игл ежей и дикобразов.

По химическому составу материал птичьих перьев не слишком далек от материала игл и когтей диких животных – кератин является основным компонентом во всех этих случаях. Вместе с тем сильнейшая пространственная неоднородность материалов, образующих сложные конструкции различных участков птичьего пера (стебля, опахала и др.) – первое, на что обращает внимание исследователь. По удельной прочности птичьи перья соперничают с лучшими авиационными материалами (алюминий-магниевыми сплавами и т.п.). Вместе с тем по способности выдерживать миллионы раз огромные знакопеременные деформации материалы птичьего пера, по-видимому, не имеют себе равных.

Крайне интересным является еще один вопрос, относящаяся к особенностям материала и конструкции птичьего пера. Кончик пера, выполняет роль своеобразного детектора направлений и скорости течений воздуха в пограничном слое вблизи поверхности крыла: сверх эластичный материал и конструкция этого кончика обеспечивают большой прогиб при ничтожно малых перепадах воздушного давления с разных сторон оперенной поверхности кончика. Поскольку выгнутый таким образом конец пера тормозит развитие обратных токов у поверхности крыла при больших углах атаки, птице присущи уникальные полетные характеристики, недоступные современным планерам и самолетам: полеты с закритическими углами атаки, посадка и взлет без дополнительного пробега и др.

Очевидно, здесь мы сильно отстаем от природы и имеем огромный резерв для повышения эксплуатационных характеристик искусственно созданных изделий.

Легкие пеноматериалы. Для снижения веса природа создала множество композиционных материалов, содержащих микро или макро пустоты (ячеистые материалы). Сердцевина костей, особенно у птиц, содержит крупные и мелкие пустоты, кора пробкового дерева – классический пример легкого природного пеноматериала, морская губка и стебли растений также представляют собой материалы с проникающими открытыми порами.

Человек также научился получать пеноматериалы из органических полимеров, металлов, керамики и др. материалов. Легкие теплоизоляционные материалы применяются в строительстве – навесные панели и перегородки, защитная и декоративная облицовка, рамы, в холодильниках, морозильных установках, рефрижераторах, в радиотехнике и электронике для электроизоляция узлов приборов, герметизации деталей, коаксиальных кабелей. Хорошо известны различные плавучие средства – буи, бакены, понтоны, доски для виндсерфинга, спасательные средства – плоты, пояса, спасательные жилеты, поплавки, водные лыжи. Большой объем применений в качестве упаковочных материалов. В производстве мебели, одежды, подкладок для ковров, искусственной кожи используются мягкие эластичные пеноматериалы. Амортизирующие, вибродемпфирующие, звукоизолирующие свойства позволяют использовать их в прокладках для касок, шлемах, различных глушителях и пр. Пеноматериалы с открытыми порами применяются для фильтров. В авиации широко используются трехслойные сотовые конструкции (рис.6), легкие и жесткие на изгиб. В них используется идея, аналогичная той, которую природа реализовала в костях птиц.

Рис.10. Легкая и жесткая трехслойная сотовая конструкция.

 Существует множество способов получения полимерных пен. Механическое вспенивание – смешивание полимерной или олигомерной композиции в жидком состоянии с газом при нормальном давлении с последующим охлаждением или химическим отверждением.

Насыщение жидкой композиции газом (N₂, CO₂, фреоны) при высоком давлении. Расплавы полимеров насыщаются газом в литьевых машинах или экструдерах, где газ под давлением до ~150 кг/см² подается через каналы в шнеках. При впрыске в форму или выходе из экструдера давление резко сбрасывается и происходит вспенивание.

Очень распространенный метод получения – введение в полимерную композицию газообразователя, который при нагревании разлагается с образованием большого количества газообразных продуктов N₂, CO₂, аммиак.

Отметим очень интересную особенность пеноматериалов. Подавляющее большинство природных и искусственных материалов при одноосном сжатии расширяются в поперечном направлении, имеют положительный коэффициент Пуассона (отношение поперечной к продольной деформации с обратным знаком). Резина, например, при деформации сохраняет объем и это означает, что коэффициент Пуассона для нее равен ~0,5. Нам известен только один изотропный материал с коэффициентом Пуассона близким к нулю – это природная пробка. Она совершенно не сжимается при растяжении, поэтому и является хорошей пробкой. Человек же смог создать пену с особой структурой, которой нет в природе и которая показывает большой отрицательный коэффициент Пуассона (около –1), т.е. расширятся в поперечном направлении при одноосном растяжении. Практическое применение такого материала, насколько нам известно, еще только ищется.

Заключение

Как мы видим, человек, создавая новые материалы, во многих случаях далеко оставил позади природу, у которой учился. Так он получил металлы, которые живая природа нигде и никогда не использовала в качестве конструкционных материалов. Используя нефть в качестве сырья, человечество создало широкий ассортимент органических полимеров, высокопрочных волокон из них, прочнее паутины или других природных волокон. Это же касается и различных неорганических материалов – керамики, стекол, бетона и пр.

Созданы композиционные материалы с рекордной прочностью и теплостойкостью (например, углерод-углеродные композиты).

Огромные преимущества имеют разработанные человеком способы получения и переработки, особенно полимерных материалов.

Явное отставание наблюдается в создании градиентных материалов, их методов получения, переработки.

Пластичная керамика остается мечтой человечества. Как нам кажется, большое будущее у неорганических полимеров, неорганическо-органических композитов (в природе таких очень много). Хотелось бы, чтобы они легко перерабатывались, были высокотермостойкие, химически- и водостойкие и имели хорошее сочетание физико-механических свойств.

Наконец, нужна хорошая замена нефти и газа для синтеза органических полимеров и композитов. Очевидно, здесь в первую очередь следует иметь в виду целлюлозу и хитин, возможно белки. Нужны новые экологически более чистые, чем современные методы их переработки. В этом направлении работы, конечно, ведутся, например, разрабатываются твердофазные безрастворные методы.

Еще один важный вопрос (особенно с экологической точки зрения) вторичная переработка конструкционных материалов и использование продуктов такой переработки для получения ценных продуктов, в том числе и новых материалов.

Конечно, надо понимать, что на самом деле природные материалы –значительно сложнее и таинственнее. Они способны подавать сигналы при разрушении, например, организм чувствует боль. Природные материалы самозалечиваются, сами ремонтируются. Они могут подстраиваться к окружающей среде, прилагаемой нагрузке (smart material). Сегодня можно найти работы над искусственными материалами в этих направлениях, а кое-что уже и сделано.

Литература

1. Промышленные полимерные композиционные материалы, ред. М. Ричардсона, М., Химия, 1980.
2. ЖВХО им. Менделеева, 1989, т.34, №5.
3. Ал.Ал. Берлин, С.А. Вольфсон, В.Г. Ошмян, Н.С. Ениколопян, Принципы создания композиционных материалов, М., Химия, 1990.
4. Углеродные волокна и углекомпозиты, ред. Э. Фитцер, М., Мир, 1988.
5. Ал. Ал. Берлин, Л. К. Пахомова, Высокомолекулярные соединения, том (А) 32, 1990, №7, стр. 1347-1382.
6. А.В. Андреева, Основы физикохимии и технологии композитов, М. ИПРЖР, 2001.
7. Ал.Ал. Берлин, Некоторые перспективы развития полимерных конструкционных материалов, Все материалы. Энциклопедический справочник, 2008, №2, с. 2-8
8. Шаулов А.Ю. Берлин А.А., Неорганические и гибридные полимеры, Вcе материалы. Энциклопедический справочник, «Наука и технологии» № 9, С. 22–32, № 10, С. 3-5 (2011).
9. Yu. Shaulov, A.A. Berlin, Low-softening inorganic polyoxides as polymer components of materials, Recent Res. Devel. Polymer Science, 11(2012): 21-76. ISBN: 978-81-7895-538-4.
10. Kenneth S. Vecchio, Synthetic Multifunctional Metallic-Intermetallic Laminate Composites, JOM, 2005 March, p. 25
11. Jianfeng Wang, Qunfeng Cheng, Zhiyong Tang, Layered nanocomposites inspired by the structure and mechanical properties of nacre, Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 1111–1129.
12. А.А. Берлин, Ф.А. Шутов, Химия и технология газонаполненных высокополимеров, М., Наука, 1980.
13. А.С. Штейнберг, С.А. Бостанджиян, Г.А. Вишнякова, А.Ф. Беликова, Доклады Академии наук, 1999, том 369, №5, с. 621-624.
14. Rothenburg, Al.Al.Berlin, R.J.Bathurst, Microstructure of isotropic materials with negative Poisson^,s ratio, Nature,1991, v.354, №6353, p.470.