Презентация на тему «Создание полимерных композитов и эксплуатация изделий из них на принципе подвижности межфазных границ»

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

Систематика материалов по основным признакам

Функциональное

Степень

Качество

Активность

Линия поведения

Развитие

Интеллекта

Функционирования

Пассивный

Тривиальный

Моно

-

Материал

Функциональ

-

Ный

Интеллектуальный

Активный

Адаптивный

Поли

-

Умный

Функциональ

-

Ный

Мудрый

(Экофильный)

Предсказуемый материал (пассивное разрушение)

Неопределенный материал (непредсказуемое бифуркационное разрушение)

Материал-эгоист (заторможенное разрушение при самосохранении функции)

Материал-приспособленец (заторможенное разрушение за счет адаптивной реакции)

Материал-камикадзе (программируемое саморазрушение)

Материал-регенерат (восстановление за счет самоорганизации)

Материал-кибер (заторможенное разрушение за счет обратной связи)

+

=

Новые идеи в материаловедении: фундаментальные основы

Характеристики объектов живой природы

(по Д. Медоу)

+ дополнительные характеристики, потенциально полезные для материаловедения (по Ю. Плескачевскому, С. Шилько)

Использование композитов; уровни структурной организации; мягкие, гибкие компоненты; самосборка, самоорганизация, самоумножение (репликация) на основе слабых связей; использование шаблона – матрицы для построения нового объекта; деление.

Подвижные межфазные границы; переменные по объему характеристики (модуль упругости и т.Д.); Самозалечивание; реверсивность; регенерация; резервирование функциональных блоков; самодиагностика; принцип обратной связи.

+

Новые идеи в материаловедении: развитие

Одиночные молекулы Моноэлементные полимеры Фуллеренсодержащие полимеры Наноструктуры, наноизделия, наносистемы

Систематика материалов

Функциональный аспект

Кибернетический аспект

Поведение

Активные полимерные материалы

Механизмы воздействия на сопряженные среды

ФОРМА блочные пленочные волокнистые дисперсные системы растворы

СТРУКТУРА функционализированные полиолефины надмолекулярно образованные высоко-молекулярные соединения композиционные материалы растворы

Материалы, генерирующие и преобразующие физические поля и излучения

Биологически активные материалы

Химически и биохимически активные материалы

Инициируют химические воздействия, с помощью которых диагностируют и влияют на химический состав и свойства сопряженных сред и объектов

Являются источником физических полей и излучений либо взаимодействуют с внешними полями и излучениями, существенно изменяя их параметры или преобразуя в другие виды воздействий

Cлужат носителями клеток микро- и макроорганизмов и выступают как источники биологических воздействий

Активные реверсивные материалы

Пример: светорегулируемые аморфные и гребнеобразные мезокристаллические сополимеры, образующие нематическую холестерическую мезофазу со спиральной супрамолекулярной структурой

Приложения: цветная обратимая и необратимая запись информации (оптика, голография, оптоэлектроника, фотоуправляемые реверсивные системы)

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

Адаптивные материалы

(K(P))

A K = K(E, f, ?s)

Принцип локализации подвижных границ

Адаптивность A(Р) Локализация Подвижная граница

Гипотеза

Научная идея

(E, f, ?s, P) ? E ? extr E, ?

Условия

Особенности задач

Переходный процесс? ?

Трение, адгезия

Критерий min max

Принцип возм. Перемещений

Уравнения состояния ?(?)

Линейная упругость

геометрия тел (фаз){Х}

Плоская деформация

Нагрузка n(t), t(t)

Сжатие, сдвиг

Объемные свойства

Движущая сила автолокализации межфазных границ

Упругое последействие Мультимодульность Реверсивность Отрицательный коэффициент Пуассона Нулевой и отрицательный КТР …………..

Принципы автолокализации межфазных границ

Min! Max!

В условиях нелинейного поведения структурно-неоднородной среды форма межфазных границ зависит от внешнего воздействия

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

Целесообразная реакция материала на внешнее воздействие обусловлена критерием оптимальности, который определяет разработчик путем задания параметров точек бифуркации

Вариационное неравенство

Задача оптимизации

Вариационная формулировка

Найти u ? V такое, что Управление S = S (?, p)

Примеры адаптивных систем (конструкций и материалов) с подвижными

границами

Скольжение (шлифование) Качение (зубчатые передачи) Сдвиг (соединения)

МАТЕРИАЛЫ Пены Перфорированные Гранулированные

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

БИОСИСТЕМЫ Зубочелюстная Опорно-двигательная Кровообращения

Авторегуляция артериального кровотока

Источники возмущения

Критерий оптимальности

Регулируемый параметр

Управляющий параметр

Состав крови, нагрузка, температура, деградация тканей

Объем кровотока в норме Q

Просвет (диаметр) сосуда d

Тонус сосуда ?

Адаптивный клапан сердца

патент РФ № 2279865 (2006)

Доклинический эксперимент

Гемодинамические характеристики модифицированного протеза (частота пульсаций 100 уд/мин)

Положение датчика

Пиковая скорость м/с

Пиковый градиент мм рт ст

Средняя скорость м/с

Средний градиент мм рт ст

Время полуспада мс

Перпендикулярно потоку Ротабельный ИКС

2,3±0,41

21,2±4,6

1,03±0,41

19,3±4,3

224±38,7

45 градусов Ротабельный ИКС

2,19±0,49

19,3±5,8

0,94±0,24

19,1±3,7

218±24,3

Параллельно потоку Ротабельный ИКС

2,14±047

18,3±4,3

0,9±0,41

18,3±2,9

214±18,4

Перпендикулярно потоку Стандартный ИКС

2,3±0,41

21,2±4,6

1,03±0,41

19,3±4,3

224±38,7

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

Автолокализация трещин

Объемное разрушение

Микросферная аналогия

Адаптивные материалы: адаптация к разрушению

«Обычный» материал

Адаптивный материал

Рост и самозалечивание трещин

Адаптивные строительные конструкции

А

Б

Схемы расположения дополнительных затяжек

Уравнения колебаний стержней рамы

1, 2, 3 - затяжки

Зависимость частот колебаний рамы от площадей поперечного сечения затяжек

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.

МУЛЬТИМОДУЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ (МИНКУСЫ) «Мультимодульность (Multiple

elasticities) – квантованное и/или непрерывное распределение значений модулей упругости

Тензочувствительные «минкусы»: адаптация к нагрузке

+

Железо

E = const

E = var

Внешнее силовое воздействие

«Обычный» материал

«Минкус» по Дж. Беллу

Фазы с различными модулями упругости

Динамически оптимальная структура

?, ГПа

e *10-3

Квантованное распределение значений модуля упругости

Тензо- чувствительность

200

150

100

Железо, цинк, алюминий, магний, медь латунь, никель

50

0

0

0,4

0,8

E=200,9 ГПа

E=113,7 ГПа

Адаптация минкуса к контактной нагрузке (действие прямоугольного

штампа)

Напряженное состояние:

Исходное

Промежуточное

Конечное

Структурные уровни умного материала

Радиационные технологии, радиационно-модифицированные материалы и

изделия

Разработка технологий, оборудования и дозиметрического обеспечения радиационно-химических процессов, основанных на использовании промышленных ускорителей электронов

Разработка бортовых проводов с радиационно-модифицированной изоляцией для авиационной техники, термоусаживаемых пленок, трубок и фасонных изделий из радиационно-сшитых полимеров

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.

Инвертированные материалы

Ауксетики: область поиска

Возможность существования изотропных материалов с ? < 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 ? 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 ? < 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 ? = 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.

Ауксетики

Моды деформирования при растяжении: а – обычный пороматериал, б – ауксетичный пороматериал

К ауксетичным относятся материалы природного и искусственного происхождения, проявляющие отрицательный коэффициент Пуассона ?. В частности, при одноосном напряженном состоянии, ауксетики, в отличие от обычных материалов, расширяются/сужаются в направлении, перпендикулярном направлению растяжения/сжатия соответственно.

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.

Формирование ауксетичного пороматериала

Представительный объем Мезофрагмент структуры

Ауксетики: эффект самостопорения

Эффект самостопорения

Схема контакта

Несущая способность соединения

Отрицательный коэффициент Пуассона

Высокая ударная вязкость Высокая контактная жесткость

КЭ модель контактного сжатия пороматериала

Моды деформации мезофрагмента с квадратными ячейками

Перемещения Ux

Перемещения Uy

КЭ модель контактного сжатия пороматериала

Расчетные значения коэффициента Пуассона

Уровень сжатия

Уровень сжатия

1(верх)

2

3

4(низ)

Среднее ux, мкм

Uy, мкм

v

1

Л

-0,0254

-0,0247

-0,0257

-0,0260

-0,02545

1,4

-0,040

П

0,0275

0,0271

0,0256

0,0271

0,026825

1,4

2

Л

-0,0691

-0,0675

-0,0677

-0,0658

-0,0675

2,8

-0,054

П

0,0606

0,0597

0,0595

0,0654

0,0613

2,8

3

Л

-0,248

-0,243

-0,253

-0,250

-0,2485

7,0

-0,085

П

0,265

0,265

0,251

0,262

0,26075

7,0

4*

Л

4,461

2,868

1,453

-0,252

2,1325

14,0

-0,490

П

6,090

4,477

3,052

1,379

3,7495

14,0

5

Л

-1,641

-1,634

-1,615

-1,633

-1,63075

21,0

-0,180

П

1,613

1,619

1,619

1,621

1,61800

21,0

6

Л

-2,677

-2,678

-2,667

-2,674

-2,6740

28,0

-0,222

П

2,656

2,677

2,658

2,663

2,6635

28,0

7

Л

-4,976

-5,291

-5,37

-5,123

-5,1900

42,0

-0,291

П

5,129

5,506

5,43

5,153

5,3045

42,0

* - Потеря устойчивости упругого пороматериала л – левый край , п – правый край

Зависимость коэффициента Пуассона

от степени деформации

КЭ модель контактного сжатия пороматериала

Решение отсутствует

Материалы с нулевым и отрицательным КТР

Мезоконструкции

А – слоистая система; б – шахматная; в – матричная с дисковым наполнителем; г – пористая

А

Б

Г

В

Коэффициент термического расширения слоистой ауксетичной системы

Зависимость термических перемещений от коэффициента термического расширения

Коэффициент термического расширения слоистой ауксетичной системы

Суммарное перемещение слоев в зависимости от коэффициента термического расширения

Положительная область

Отрицательная область

Метаматериалы

Среда с отрицательным показателем преломления

Среда с положительным показателем преломления

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.

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

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.

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.

Метаматериалы

Будет ли создан «плащ-невидимка»?

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.

Линейные

Планарные

Трехмерные

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:

Карбин Кумулены Sn Sen Ten (P4)n

(2D) – C2D – графит pn (черный фосфор) asn sbn bin

(3D) – C3D – алмаз bn sin gen

Линейная изотропия, планарная и объемная анизотропия

Планарная изотропия, объемная (1) анизотропия

Объемная изотропия

Источник: Шаулов А.Ю. Моноэлементные полимеры. Структура и свойства. ВМС, 5, 2006, т. 48, № 11, с. 2063–2080.

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

Структурные типы наноразмерных объектов и их геометрические параметры

Русский термин

Английский термин

Описание*

Нанотрубки

Nanotubes

Трубчатые структуры с внешним диаметром до 100 нм, L<1 мкм

Нанопрутики

Nanoroads

Квазиодномерные цилиндрические структуры, D<100 нм, L<1 мкм

Нанопроволока

Nanowire

То же, D<100 нм, L<1 мкм

Нановолокна

Nanofibers

Нити, D?50 нм, L>1 мкм

Наночастицы

Nanoparticles

Компактные частицы, D<10 нм

Нанопорошок

Nanopowder

То же, D<100 нм

Наноразмерные кристаллиты

Nanotods

Кристаллиты размером до 100 нм

Наноусы

Nanowhiskers

Структуры в виде игл длиной несколько мкм и толщиной в основании < 100 нм

Наноленты

Nanoribbons

Структура в виде плоских лени толщиной до 100 нм и шириной больше толщины

Наностолбики

Nanocolumns

Наноструктуры с D?100 нм, L>D

Нанокабель

Nanocable

Структура с морфологией коаксиального кабеля, D?100 нм

Наномосты

Nanobridges

Структуры с морфологией, подобной конструкциям мостов, длиной десятки мкм и диаметром отдельных «деталей» до 100 нм

Наногвозди

Nanonails

Структура в виде гвоздей, D?100 нм

Нанороторы

4(6)-Fold nanorotors

Наноструктуры в виде ротора с 4(6) лопастями, диаметр составляющих до 100 нм

Тетраэдрическая Т-наноструктура

Tetrapod nanostructure

Наноструктура из четырех нанопрутиков (D?100 нм) с общим центром

Нанокомпозит

Nanocomposite

Материал из частиц различных веществ размерами до 100 нм

Нанопроволоки, формируемые в трековых мембранах

? (0,5 – 3 Гр/с)

4. ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ сu-реплики

1. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ сu В ПОРАХ МЕМБРАНЫ

Патент 7373 BY

2. Деструкция мембраны облучением на воздухе

Параметры и свойства металлических проволок

Параметр

Величина

Диаметр проволоки, мкм

0,014 – 5,000

Длина проволоки, мкм

5 – 40

3. Растворение мембраны в растворителе

Плотность, см-2

100 - 108

Модуль Юнга, Па

2·1010 - 12·1010

Грант БРФФИ–РФФИ №Т04Р-066

Емкость с электролитом

Блок перепо-люсовки

Электролит

Металлический цилиндр

Уплотнительное кольцо

Трековая мембрана

Сu-фольга

Подложка (катод)

Корпус

Разряжение

Сборник электролита

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.

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.

Заключение

На рубеже XX – XXI веков в материаловедении наметились прорывные направления в создании новых и существенном развитии традиционных принципов формирования активных, адаптивных и умных материалов и систем. Основу подобных принципов составляют аналогии в функционировании и развитии природных и технических систем в сочетании с новейшими фундаментальными достижениями смежных наук – физики, химии, биологии, механики и дополненные возможностями компьютерного моделирования и микросистемной техники эксперимента. Именно здесь находится и в ближайшие десятилетия будет лежать «высокоурожайное поле» научного поиска материаловедов мира.

Благодарности

Коллеги из ИММС НАН Беларуси Пинчук Л.С. Гракович Р.И. Селькин В.П. Ходько Н.Т. Хиженок В.Ф. Петроковец Е.М. Коллеги из других организаций Бучаченко А.Л. Макаева Т.А. Шаулов А.Ю. Литвиненко Е.В. Козловский Б. Куземкина Г.М. Шимановский А.О.

Спасибо за адаптивное внимание

И мультимодульное терпение!

Основная проблема общественного производства Беларуси

Конкурентоспособность продукции на мировом рынке

Современные энерго- и ресурсосберегающие технологии адекватная степень автоматизации процессов уровень использования новых материалов концепция жизненного цикла продукции реклама, маркетинг, сервис, авторские права, таможенная политика...

За все исторически обозримое время до 1996 года материаловеды всего

мира создали 17 млн. веществ. Затем каждый год добавляют по ~ 1 млн., т.е. на конец 2006 года в мире известно ~ 27 млн. веществ искусственного и естественного происхождения. Систематизация и классификация веществ—основа их эффективного использования и прогноза принципов создания новых материалов, адекватных по свойствам текущим и перспективным тенденциям развития техники и технологий.

Сколько в мире материалов?

Место и роль материала в процессе создания новой техники

(Адаптивная схема)

Аналогии в направлениях развития природы и техники

(по Д.Н.Решетову)

Общие принципы совершенствования механических свойств в природе и технике Равнопрочность Рациональность форм сечений Равнодолговечность Композитность систем Многоконтактность

Средства повышения надежности, долговечности и эффективности Принципы местного качества Резервирование Уменьшение контактных напряжений Создание напряжений сжатия Обтекаемые формы Волнообразные и шаговые перемещения

Полимерные композиты являются потенциальными носителями

интеллектуальных свойств: они чувствительны к физическим полям, т.е. имеют сенсорную функцию; способны воспроизвести эффекторную и процессорную функции, и наконец, из всех материалов они наиболее близки к живой природе.

Полимерные композиты – материалы настоящего и будущего

Мультимодульность поликристаллических тел

«…Этому открытию, еще меньше десяти лет (1968), так что должно пройти немало времени, прежде чем будут постигнуты все его разветвления как в механике сплошных сред, так и в атомной механике» (Дж.Ф. Белл, 1968 г.) .

Область поиска

Мезомеханический анализ полимерных композитов

Адаптивные композиты

Тип материала

Модель

Ячейка периодичности

Наполненные (частица, волокно)

Пены

Перфорированные

Гранулированные

Кристаллиты