Сегодня во всем мире разрабатывают композитные материалы с улучшенными характеристиками, востребованные во многих областях промышленности. В частности, базальтовые и углеродно-базальтовые композиты могут применяться в медицинских изделиях для фиксации костных фрагментов поврежденных конечностей. В отличие от аналогичных металлических конструкций, они обладают радиационной прозрачностью, что позволяет комфортно проводить всестороннюю рентгенографию. Однако при этом возникают вопросы их радиационной стойкости. Ученые ПНИПУ и УНИИКМ изучили воздействие гамма-излучения на прочность нового гибридного материала, изготовленного из базальтовых волокон и углеродных нитей. Такое сочетание повышает прочность изделия до 20%.
Статья с результатами опубликована в журнале «Наука о полимерах», 2024 год. Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ в рамках программы деятельности Пермского научно-образовательного центра «Рациональное недропользование» и проекта Международной исследовательской группы (C-26/591).
В современном мире придается большое значение разработке новых композиционных материалов на основе природных составляющих, например, базальта. Его уникальные свойства, такие как стойкость к коррозии и высоким температурам, повышают надежность различных конструкций. Это обуславливает растущее применение таких композитов в строительной, автомобильной, аэрокосмической и нефтегазовой отраслях.
Изделия на основе базальта обладают радиационной прозрачностью — при рентгенографическом исследовании они не создают тень, характерную для непрозрачных материалов. Это качество и сравнительная дешевизна открывают большие возможности для их применения в медицине. Например, в качестве элементов для фиксации костных фрагментов поврежденных конечностей при травмах и переломах.
Однако органические материалы из-за своей структуры подвержены радиационному разрушению, это означает, что определенная степень облучения негативно влияет на стойкость изделия, снижает его прочность. Для повышения механических свойств проводят армирование (внутреннее укрепление) материала с помощью углеродных волокон. Получаемые гибридные композиционные материалы имеют широкий спектр возможного применения и поэтому являются более совершенными.
Ученые Пермского Политеха совместно с Уральским институтом композиционных материалов изучили свойства такого гибридного базальтокомпозита, армированного углеродным волокном, подвергая его механическим нагрузкам и гамма-облучению.
— Прочность и радиационная стойкость материала — важные эксплуатационные требования для медицинских изделий, они работают в условиях сложных нагрузок (растяжение, сжатие и изгиб) и подвергаются многократному радиационному воздействию во время рентгенографий. Поэтому наше исследование актуально для создания долговечных и надежных конструкций из композиционных материалов, — отмечает Владимир Онискив, доцент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ, кандидат технических наук.
Ученые изготовили образцы, армированные базальтовыми и углеродными волокнами. Их подвергли радиационному воздействию различными дозами. После облучения испытывали на растяжение, сжатие и изгиб.
Эксперименты показали, что при облучении дозами в 5-10 Мрад происходит некоторое увеличение прочности образцов из-за межмолекулярного сшивания макромолекул. Но поглощенная материалом доза в 15-20 Мрад заметно снижает прочность материала, так как межмолекулярные связи разрушаются.
Исследователи установили, что использование сочетания базальтовых и углеродных волокон повышает прочностные характеристики гибридного композитного материала до 20%. Даже радиационное воздействие не снижает их до уровня, характерного для чистого базальтового композита.
— Радиационное воздействие современных рентгеновских аппаратов сравнительно невелико. С учетом этого и эффекта накопления дозы радиации допустимое количество таких сеансов может превышать несколько миллионов. Мы можем с уверенностью утверждать, что новые материалы обладают уникальным набором свойств с точки зрения радиопрозрачности, прочности и радиационной стойкости, — поделился Владимир Онискив.
Исследование ученых ПНИПУ и УНИИКМ подтвердило, что базальтовые композиты, армированные углеродными волокнами, перспективны для изготовления элементов различных медицинских изделий и повышения их эффективности и долговечности при эксплуатации. А результаты экспериментов способствуют развитию новых видов композиционных материалов.
