СОЗДАНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ НИХ

1. СОЗДАНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ НИХ НА ПРИНЦИПЕ ПОДВИЖНОСТИ МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦ Плескачевский Ю.М., Шилько С.В. Поликом-2007 + Белтриб-2007 16-21 июля 2007,Гомель, Беларусь

2. материал - изделие материал - система материал - устройство материал - среда Систематика материалов по основным признакам Функциональное Степень Качество Активность Линия поведения развитие интеллекта функционирования • предсказуемый материал (пассивное разрушение) пассивный тривиальный моно - материал функциональ - ный • неопределенныйматериал • (непредсказуемое • бифуркационное • разрушение) интеллектуальный • материал-эгоист • (заторможенное разрушение при самосохранении функции) активный адаптивный • материал-приспособленец • (заторможенное разрушение за счет адаптивной реакции) поли - умный функциональ - ный • материал-камикадзе • (программируемое саморазрушение) • материал-регенерат • (восстановление за счет самоорганизации) мудрый (экофильный) • материал-кибер • (заторможенное разрушение за счет обратной связи)

3. Новые идеи Классические принципы материаловедения Характеристики объектов живой природы аддитивность композитность синергизм самоорганизация структура-свойство подвижные границы ……. обратная связь ……. ……. Новые идеи в материаловедении: фундаментальные основы + =

4. Характеристики объектов живой природы (по Д. Медоу) • использование композитов; • уровни структурной организации; • мягкие, гибкие компоненты; • самосборка, самоорганизация, самоумножение (репликация) на основе • слабых связей; • использование шаблона – матрицы для построения нового объекта; • деление. + дополнительные характеристики, потенциально полезные для материаловедения (по Ю. Плескачевскому, С. Шилько) • подвижные межфазные границы; • переменные по объему характеристики (модуль упругости и т.д.); • самозалечивание; • реверсивность; • регенерация; • резервирование функциональных блоков; • самодиагностика; • принцип обратной связи.

5. Подвижные межфазные границы Переменные по объему характеристики Принцип локального качества Активные материалы Адаптивные материалы Минкусы Ауксетики Метаматериалы Умные материалы Принцип обратной связи Реверсивность свойств Самодиагностика, самоорганизация, самозалечевание, регенерация Новые идеи в материаловедении: развитие + • Одиночные молекулы • Моноэлементные полимеры • Фуллеренсодержащие полимеры • Наноструктуры, наноизделия, наносистемы

6. УМНЫЙ АКТИВНЫЙ &РЕВЕРСИВНО ПАССИВНЫЙ АКТИВНЫЙ R R R1 R4 R5 R1(сенсор) 1 3 R5 (актуатор) R R R R 1 2 1 R 1 R s 3 s s 2 s R R 3 s R R 1 s 3 s s 1 E t R 80% t R 90% t, s E t R 70% t, s s s R4 (процессор) t , t , R1для ауксетика, метаматериала R s E 2 & РЕВЕРСИВНО АДАПТИВНЫЙ АДАПТИВНЫЙ R s , 1 t сенсор процессор s актуатор R5 R4 R5 R s s R , s 1 t s , s R s 1 t , 1 t R3 R 2 обратная связь d dR5 Активностьвнутрьсебя+заторможенное разрушение за счет местного самоупрочнения, регенерации, подвижности межфазных границ Активность внутрь и вне себя+существенно заторможенное разрушение за счет обратной связи Активность по отношению ко внешней среде+ пассивное разрушение Пассивное разрушение по Аррениусу,Журкову, … Систематика материалов Функциональный аспект Кибернетический аспект Поведение

7. Активные полимерные материалы МЕХАНИЗМЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СОПРЯЖЕННЫЕ СРЕДЫ • ФОРМА • блочные • пленочные • волокнистые • дисперсные системы • растворы ХИМИЧЕСКИ И БИОХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ инициируют химические воздействия, с помощью которых диагностируют и влияют на химический состав и свойства сопряженных сред и объектов • СТРУКТУРА • функционализированные полиолефины • надмолекулярно образованные высоко-молекулярные соединения • композиционные материалы • растворы МАТЕРИАЛЫ, ГЕНЕРИРУЮЩИЕ И ПРЕОБРАЗУЮЩИЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ И ИЗЛУЧЕНИЯ являются источником физических полей и излучений либо взаимодействуют с внешними полями и излучениями, существенно изменяя их параметры или преобразуя в другие виды воздействий БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ cлужат носителями клеток микро- и макроорганизмов и выступают как источники биологических воздействий

8. Активные реверсивные материалы Пример: светорегулируемые аморфные и гребнеобразные мезокристаллическиесополимеры, образующие нематическуюхолестерическую мезофазу со спиральной супрамолекулярной структурой Приложения: цветная обратимая и необратимая запись информации (оптика, голография, оптоэлектроника,фотоуправляемые реверсивные системы)

9. Активные реверсивные светоуправляемые жидкокристаллические полимеры Схематическое представление молекулярной структуры различных типов фотоадресуемых гребнеобразных сополимеров Схема, демонстрирующая реверсивное изменение формы фотохромных боковых групп в ходе процесса транс-цис-изомеризации, индуцированной воздействием света Принципиальные схемы записи (слева) и считывания оптической информации (справа) на планарно-ориентированной пленке фотохромного холестерического сополимера • Для способной к самомаскировке военной техники • Эффект мерцания или движения • Вариант стелс-технологии

10. АДАПТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

11. Фактор внешнего воздействия P E, f,s ~ S Поверхностные свойства Границы Принцип локализации подвижных границ Адаптивность A(Р) Локализация Подвижная граница Объемные свойства

12. Движущая сила автолокализации межфазных границ • Упругое последействие • Мультимодульность • Реверсивность • Отрицательный коэффициент Пуассона • Нулевой и отрицательный КТР • …………..

13. ********************** ********************** Принципы автолокализации межфазных границ Самоорганизация на микроуровне структуры обеспечивает автоматическую локализацию подвижных межфазных границ и определенные значения физико-механических характеристик материала в точках бифуркации Конфигурация межфазных границ оказывает существенное влияние на физико-механические характеристики материала В условиях нелинейного поведения структурно-неоднородной среды форма межфазных границ зависит от внешнего воздействия Целесообразная реакция материала на внешнее воздействие обусловлена критерием оптимальности, который определяет разработчик путем задания параметров точек бифуркации Min! Max!

14. Энергетические принципы: • возможных перемещений + = X δu dV X δu dS σ δε dV т т т i i i i ij ij V V S • возможных изменений напряженного состояния + = δX u dV δX u dS δ R т т i i i i V S , • минимума полной энергииЭ = 0 • где Э = П - А - полная энергия системы - дополнительная работа = R RdV т V σ 2 σ u + ε d σ 0 т i i 2K 0 2 σ -удельная потенциальная энергия изменения объема 0 2K Вариационная формулировка

15. Примеры адаптивных систем (конструкций и материалов) с подвижными границами Процесс Фрикционное взаимодействие Межфазное взаимодействие Объект С о п р я ж е н и е М е з о э л е м е н т Скольжение (шлифование) Качение (зубчатые передачи) Сдвиг (соединения) МАТЕРИАЛЫ Пены Перфорированные Гранулированные БИОСИСТЕМЫ Зубочелюстная Опорно-двигательная Кровообращения

16. Модель процесса в терминах подвижных границ Регуляризация L Т 1 * т 2 2 J - т J = - = (d) [d (x) d (x)] dx ( d) [ S(t) (t) d t Q ] v 1 2 ε 0 0 L т + + 2 = J ) } ( d min ( d) ( d) (d) α [d' (x) ] dx { J J J d 1 2 3 3 0 аналог артериолы: двухслойная оболочка из физически нелинейного анизотропного материала с начальными напряжениями p12 p34 p23 p45 σ 5 2 3 4 1 1 2 3 4 5 ν12 ν34 х ν23 ν45 d N = 0 Е, Еz, Er,rz , z , r σ N > 0 N > 0, > 0 d p, мм рт.ст. L p0 100200 Авторегуляция артериального кровотока

17. Адаптивныйклапан сердца патент РФ № 2279865 (2006) Доклинический эксперимент Гемодинамические характеристикимодифицированного протеза (частота пульсаций 100 уд/мин)

18. Проявления реверсивной адаптивности на уровне макромолекул РЕГУЛИРУЕМАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ МЕМБРАНЫ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ КОНФОРМАЦИИ ПОЛИМЕРА 1 — растворенное вещество; 2 — полимер в развернутой конформации; 3 — полимер в компактной конформации

19. Исходная конфигурация монослоя Инициализация дефекта  Формирование зоны разрушения Автолокализация дефекта Востановление сплошности • Восстановление исходной конфигурации монослоя F г г Fр p F  Автолокализация трещин Объемное разрушение Микросферная аналогия

20. Автолокализация трещин Линейные трещины k = 2; B-1 =  = 4; l0 = 1; 1= 2,5; 2= 3; 3= 3,5; 4= 4,5; b11 = b22 = 4; b12 = b21 = 1 k = 2; B-1 = Ветвление трещин k = 0,2; B-1 =  = 5; 1= 0; 2= 2; 3=4=5= 1; ij= 4; qij =0,1 для всех i, j; b11 = b22 = 8; b12 = b21 = 2 Адаптивные материалы: адаптация к разрушению «Обычный» материал Адаптивный материал

21. Рост и самозалечивание трещин

22. 12 8 6 4 2 1 3 2 0 12 0 5 10 15 20 30 8 6 4 2 0 15 30 0 5 10 20 D , мм D,мм Адаптивные строительные конструкции Схемы расположения дополнительных затяжек Уравнения колебаний стержней рамы 1, 2, 3 - затяжки Зависимость частот колебаний рамы от площадей поперечного сечения затяжек а б расширение диапазона и нерезонансной работы расширение диапазона и нерезонансной работы а) при наличии затяжек 1,2; б) при наличии затяжек 1, 3 Применение адаптирующих затяжек позволяет обеспечить нерезонансную работу.

23. МУЛЬТИМОДУЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ (МИНКУСЫ) «Мультимодульность (Multiple elasticities) – квантованное и/или непрерывное распределение значений модулей упругости

24. Тензочувствительные «минкусы»: адаптация к нагрузке Внешнее силовое воздействие «Обычный» материал «Минкус» по Дж. Беллу , ГПа 200 150 E=200,9 ГПа E=113,7 ГПа 100 железо • железо, • цинк, • алюминий, • магний, • медь • латунь, • никель 50 0 e *10-3 0 0,4 0,8 E = const Квантованное распределение значений модуля упругости Фазы с различными модулями упругости Тензо- чувствительность + E = var Динамически оптимальная структура

25. Эффект адаптации Эквивалентные (по Мизесу) напряжения экв , Па Контактные давления р, Па Касательные контактные напряжения  , Па 12 10 Кратность снижения концентрации напряжений и проскальзывания 8 6 Проскальзывание 4 2 0 Касательные контактные напряжения Контактные давления Эквивалентные напряжения Адаптация минкуса к контактной нагрузке (действие прямоугольного штампа) Напряженное состояние: исходное промежуточное конечное

26. Структурные уровни умного материала

27. ПОЛИМЕРНЫЕ ДОЗИМЕТРЫ 0,5 ДПЭ-50/2000 ДПЭ-10/200 0,4 0,3 Дозиметрический параметр 0,2 0,1 0 0 500 1000 1500 2000 Поглощенная доза, кГр Радиационные технологии, радиационно-модифицированные материалы и изделия Разработка бортовых проводов с радиационно-модифицированной изоляцией для авиационной техники, термоусаживаемых пленок, трубок и фасонных изделий из радиационно-сшитых полимеров Разработка технологий, оборудования и дозиметрического обеспечения радиационно-химических процессов, основанных на использовании промышленных ускорителей электронов

28. Активные и адаптивные материалы, эффективные при создании МЭМС • NiTi cплавы, • пермаллой, • кварц, • окись цинка, • пьезокерамика, • полимерные гели, • материалы группы А3В5, • материалы группы А4В6, в которых реализуются: • явления: • электростатические, • электромеханические, • пьезоэлектрические, • магнитные; • эффект памяти формы, как элементы адаптивных систем: • сенсоры, • актуаторы, • механизмы передачи движения.

29. ИНВЕРТИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

30. = - + ν ( 3 K 2 μ ) /( 6 K 2 μ ) Ауксетики: область поиска Возможность существования изотропных материалов с ν < 0 подтверждается известным соотношением теории упругости [1] где , К – положительно определенные модули сдвига и объемной деформации. Выражение описывает допустимый интервал значений коэффициента Пуассона. Отрицательные значения ν соответствует условию  > 3/2К, когда модуль сдвига превышает модуль объемной деформации более, чем на 50%. Верхний предел соответствует несжимаемым материалам типа резины, сохраняющим свой объем при значительном изменении формы, нижний – материалам, сохраняющим геометрические пропорции, но изменяющим объем при деформации. Пороматериалы, демонстрирующие ν < 0, являются предметом активных исследований, (см. русскоязычный аналитический обзор [1]). Конечноэлементный анализ контактного деформирования ауксетичных материалов нами выполнен в предположении, что пороматериал является непрерывной средой, причем в процессе деформирования изменение структуры не учитывалось и, соответственно, коэффициент Пуассона считали постоянной величиной ν = const < 0. Была показана возможность реализации адаптивного режима трения в виде эффекта самостопорения ауксетичных материалов, что выражается в повышении несущей способности фрикционного соединения при увеличении сдвигающей нагрузки. 1. Конек Д.А., Войцеховский К.В., Плескачевский Ю.М., Шилько С.В. Материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона (обзор) // Механика композ. матер. и констр.– 2004.– Т.10, №1. С. 35–69.

31. Ауксетики К ауксетичным относятся материалы природного и искусственного происхождения, проявляющие отрицательный коэффициент Пуассона ν. В частности, при одноосном напряженном состоянии, ауксетики, в отличие от обычных материалов, расширяются/сужаются в направлении, перпендикулярном направлению растяжения/сжатия соответственно. Моды деформирования при растяжении: а – обычный пороматериал, б – ауксетичный пороматериал а б Источник: Конек Д.А., Войцеховский К.В., Плескачевский Ю.М., Шилько С.В. Материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона (обзор) // Механика композ. матер. и констр.– 2004.– Т.10, №1. С. 35–69.

32. Исходный материал Трехосное сжатие Нагрев Охлаждение Разгрузка Ауксетик Формирование ауксетичного пороматериала Представительный объем Мезофрагмент структуры

33. y T , кН/м 60 lim f=0,1 f=0,2 40 скольжение сцепление f=0,3 x f=0,4 T( t) f=0,5 S S n E, 20 a s v 0 0 d n -0,6 -0,3 0 0,3 0,6 Отрицательные значения Положительные значения Ауксетики: эффект самостопорения Отрицательный коэффициент Пуассона • Высокая ударная вязкость • Высокая контактная жесткость • Эффект самостопорения Схема контакта Несущая способность соединения

34. КЭ модель контактного сжатия пороматериала Моды деформации мезофрагмента с квадратными ячейками Перемещения Ux Перемещения Uy

35. КЭ модель контактного сжатия пороматериала Расчетные значения коэффициента Пуассона * - потеря устойчивости упругого пороматериала л – левый край , п – правый край

36. Степень деформации обычный пороматериал ауксетик с ячейками вогнутой формы  = 600 ν КЭ модель контактного сжатия пороматериала Зависимость коэффициента Пуассона ν от степени деформации решение отсутствует

37. Материалы с нулевым и отрицательным КТР Мезоконструкции а – слоистая система; б – шахматная; в – матричная с дисковым наполнителем; г – пористая а б г в

38. 3.00E-02 2.00E-02 1.00E-02 0.00E+00 перемещение -1.50E- -1.00E- -5.00E- 0.00E+0 5.00E-05 1.00E-04 1.50E-04 -1.00E-02 04 04 05 0 -2.00E-02 -3.00E-02 коэффициент термического расширения Коэффициент термического расширения слоистой ауксетичной системы Зависимость термических перемещений от коэффициента термического расширения

39. 3.00E-02 1.00E-02 2.50E-02 5.00E-03 0.00E+00 2.00E-02 -1.20E- -1.00E- -8.00E- -6.00E- -4.00E- -2.00E- 0.00E+0 2.00E- -5.00E-03 1.50E-02 04 04 05 05 05 05 0 05 сум перемещение сум перемещение -1.00E-02 1.00E-02 -1.50E-02 5.00E-03 -2.00E-02 0.00E+00 -2.00E- 0.00E+0 2.00E- 4.00E- 6.00E- 8.00E- 1.00E- 1.20E- -2.50E-02 -5.00E-03 05 0 05 05 05 05 04 04 коэффициент термического расширения коэффициент термического расширения Коэффициент термического расширения слоистой ауксетичной системы Суммарное перемещение слоев в зависимости от коэффициента термического расширения Положительная область Отрицательная область

40. Метаматериалы В среде с отрицательным показателем преломления свет (и все другие виды электромагнитного излучения) ведет себя не так, как в обычных материалах с положительным преломлением, причем во многих отношениях это поведение противоречит интуиции. Среда с отрицательным показателем преломления Среда с положительным показателем преломления Карандаш, погруженный в среду с отрицательным преломлением, будет казаться изогнутым наружу Карандаш в воде кажется изогнутым из-за более высокого показателя преломления воды Когда свет переходит из среды с низким показателем преломления (n) в среду с более высоким, он отклоняется в сторону нормали (пунктирная линия под прямым углом к поверхности раздела) Когда свет идет из среды с положительным преломлением в среду с отрицательным, он отклоняется назад, оставаясь по ту же сторону нормали, что и падающий свет Удаляющийся объект кажется более красным из-за эффекта Доплера Удаляющийся объект кажется более синим Заряженный объект (красный) , движущийся быстрее скорости света, создает конус Черенковского излучения (желтый), направленный вперед Конус обращен назад В среде с положительным показателем преломления отдельные максимумы электромагнитного импульса (фиолетовый) движутся в том же направлении, что и огибающая (зеленая) импульса и энергия (синяя) Отдельные всплески движутся в сторону, противоположную движению огибающей импульса и энергии

41. Метаматериалы Опал – природный материал. Микроскопические шарики кристобаллита придают ему уникальные оптические свойства. Пятидюймовый «плащ-невидимка», представленный учеными из университета Дьюка, совершенно непохож на плащ и невидим лишь для микроволн.

42. Метаматериалы Как это работает? 1. Покрывающий предмет метаматериал, представляющий собой гибрид проводника и диэлектрика, действует как ускоритель для попадающих внутрь него квантов света 2. Свет падает на оболочку из метаматериала. Но он не преломляется за пределы оболочки, а проходит внутри нее, огибая предмет вокруг. 3. Свет покидает оболочку в том же самом направлении, словно никакого предмета не было, так что скрытый предмет остается невидимым.

43. Метаматериалы Будет ли создан «плащ-невидимка»?

44. Одиночные молекулы Новые горизонты химии и технологии (по А.Л. Бучаченко) На рубеже XX и XXI веков в химии и молекулярной физике произошел прорыв в экспериментальной технике обнаружения и распознавания одиночных молекул и в технологии манипулирования ими. • С детектированием одиночной молекулы достигается предел обнаружения в аналитической химии. • Удается установить индивидуальные, «личные» свойства единичной молекулы, не усредненные и не «спрятанные» в их ансамбле. • Появилась возможность наблюдать, как функционирует одиночная молекула. • Появившиеся технологии манипулирования одиночными молекулами (их перемещением и соединением, внедрением и объединением в заданные молекулярные ансамбли) позволяют создавать элементы наноэлектроники, наномеханики, нанооптики – т.е., служат основой будущих высоких технологий в реальной экономике. Источник: Бучаченко А.Л. Новые горизонты химии: одиночные молекулы. Успехи химии, 2006, т. 75, № 1, с. 3–26.

45. (1D)-C1D Моноэлементные полимеры (по А.Ю. Шаулову) Моноэлементные полимеры (1 – Е1) – класс неорганических высокомолекулярных соединений, макромолекулы которых состоят из ковалентно связанных между собой однотипных химических элементов, способных образовывать цепи различной структуры: Источник: Шаулов А.Ю. Моноэлементные полимеры. Структура и свойства. ВМС, 5, 2006, т. 48, № 11, с. 2063–2080.

46. Фуллеренсодержащие полимеры Могут проявлять свойства органических ферромагнетиков, сверхпроводников, электродных материалов, нелинейные оптические и другие поведения для техники XXI века свойства. Структура фуллеренсодержащих полимеров звездообразные полимеры полимеры типа “жемчужное ожерелье” полимеры типа “браслет с подвесками” Структура полифуллеренов линейная орторомбическая ромбоэдрическая двумерная тетрагональная

47. Структурные типы наноразмерных объектов и их геометрические параметры

48. 0,2 мкм Нанопроволоки, формируемые в трековых мембранах 4. ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ Сu-РЕПЛИКИ 1. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ Сu В ПОРАХ МЕМБРАНЫ Патент 7373 BY емкость с электролитом блок перепо-люсовки электролит металлический цилиндр уплотнительное кольцо трековая мембрана Сu-фольга подложка(катод) корпус разряжение сборник электролита 2. ДЕСТРУКЦИЯ МЕМБРАНЫОБЛУЧЕНИЕМ НА ВОЗДУХЕ ПАРАМЕТРЫ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОВОЛОК γ (0,5 – 3 Гр/с) 3. РАСТВОРЕНИЕ МЕМБРАНЫ В РАСТВОРИТЕЛЕ Грант БРФФИ–РФФИ №Т04Р-066

49. Наноизделие Нанозапчасть Если приглядеться, это самая обычная коробка передач – только состоящая всего из нескольких сотен атомов. Такое устройство еще не создано, но его автор Эрик Дрекслер просчитал его на компьютерной модели и убедился, что оно может существовать и работать – если только каким-то образом соединить нужные атомы в нужном порядке.

50. Наносистема «Самая маленькая в мире повозка» с колесами-фуллеренами, созданная в университете РАЙС (Нью-Йорк), способна перемещаться по поверхности кристалла за счет его собственной теплоты. В макромире это было бы нарушением второго закона термодинамики Фуллерен – полный жесткий многогранник из 60 атомов углерода. За открытие этой молекулы Ричард Смолли получил Нобелевскую премию 1996 года.