Российские ученые представили сверхпрочный композит на основе СВМПЭ

Ученые из НИТУ МИСИС (г. Москва) усовершенствовали композиты из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), получив «самоупрочненную» структуру, которая сочетает прочность и пластичность благодаря особой технологии. Материал перспективен для создания имплантатов суставов, деталей летательных аппаратов, средств индивидуальной защиты и спортивной экипировки, сообщается в пресс-релизе вуза.

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 остается 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 являются 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 физической химии, заместитель руководителя лаборатории ускоренных частиц НИТУ МИСИС.

Чтобы выяснить, как параметры обработки влияют на структуру и свойства композита, ученые 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 Александр Корсунский, профессор Сколтеха, заслуженный профессор Тринити-колледжа Оксфордского университета.

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 «самоупрочненная» структура: при горячем прессовании поверхность волокон частично плавится и сплавляется с соседними, создавая надежные связи без введения других полимеров. Это обеспечивает эффективную передачу нагрузки, а также высокую пластичность и способность поглощать удары без разрушения. 

«Сверхвысокомолекулярный полиэтилен сегодня — один из наиболее перспективных материалов для высоконагруженных и функциональных применений, от медицины до транспортного машиностроения. Наши результаты показывают, что „самоупрочненные“ 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.

Подробности исследования описаны в научном журнале Fracture and Structural Integrity (Q2). Исследование поддержано грантом Минобрнауки России (соглашение № 075-15-2024-552).