Материал перспективен для создания имплантатов суставов, деталей летательных аппаратов, средств индивидуальной защиты и спортивной экипировки.
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) известен не только долговечностью и биосовместимостью, но и тем, что он достигает прочности, сравнимой с металлами, при рекордно малом весе. Однако создание высокофункциональных композитов из волокон полиэтилена остаётся сложной задачей: материал нельзя просто переплавить, он требует особых методов горячего прессования. Кроме того, композиты обычно состоят из двух разных компонентов — прочных волокон и связующей их матрицы. Часто именно граница между ними становится слабым звеном конструкции. В представленном материале и волокна, и матрица состоят из СВМПЭ. Такой подход не только решает проблему сцепления, но и делает материал пригодным для стопроцентной переработки.
«Ряд характеристик сверхвысокомолекулярного полиэтилена является рекордными среди всех материалов. Эксперты Центра композиционных материалов НИТУ МИСИС уже более 15 лет изучают структуру и свойства СВМПЭ, создают технологии переработки порошков и волокон в высокофункциональные изделия», — рассказал к.ф-м.н. Алексей Салимон, заведующий кафедрой кафедры физической химии, заместитель руководителя лаборатории ускоренных частиц НИТУ МИСИС.
Чтобы выяснить, как параметры обработки влияют на структуру и свойства композита, учёные лаборатории ускоренных частиц НИТУ МИСИС, Сколтеха, ОИЯИ, ИСПМ РАН, Университета «Сириус» и ФНЦГ им. Ф.Ф. Эрисмана изготовили образцы СВМПЭ при разных условиях и провели серию механических тестов — на изгиб, растяжение и ударную прочность, а также исследовали микроструктуру с помощью электронной микроскопии.
«Волокна полимеров, как правило, значительно прочнее прессованного порошка. Если их спрессовать, подплавив по границам, получается композит с замечательными свойствами из волокон СВМПЭ в его же матрице», — сказал заведующий лабораторией ускоренных частиц НИТУ МИСИС Александр Корсунский.
Результаты показали, что при оптимальной температуре около 165–170 °C и давлении 25–50 МПа достигается наилучшее сочетание прочности, модуля упругости и ударной вязкости. При этом прочность на растяжение новых композитов составляет до 50% от исходной прочности волокон — выдающийся показатель для однокомпонентных материалов.
Исследователи выяснили, что ключевую роль играет особая «самоупрочнённый» структура: при горячем прессовании поверхность волокон частично плавится и сплавляется с соседними, создавая надёжные связи без введения других полимеров. Это обеспечивает эффективную передачу нагрузки, а также высокую пластичность и способность поглощать удары без разрушения. Подробности исследования описаны в научном журнале Fracture and Structural Integrity (Q2).
«Сверхвысокомолекулярный полиэтилен сегодня — один из наиболее перспективных материалов для высоконагруженных и функциональных применений: от медицины до транспортного машиностроения. Наши результаты показывают, что “самоупрочнённые” композиты из СВМПЭ обладают уникальным сочетанием свойств и могут стать основой для разработки сбора энергии, медицинских имплантов и робототехнических устройств», — отметил доцент кафедры физической химии НИТУ МИСИС Евгений Статник.
Исследование поддержано грантом Минобрнауки России (соглашение № 075-15-2024-552).
