Она привлекает туристов не только суровой красотой, но и необычными звуками, напоминающими пение. Пещера, вымытая в скале морской водой, протянулась на 113 м, а высота её 20 м. Изумительно, как её стены испещрены вертикально стоящими базальтовыми колоннами, в основном шестигранными.

Источник телеграм: https://t.me/mirchudo/156

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.

Сейчас во многих областях промышленности широко применяются композиты на основе природных материалов, таких как базальт. Из него производят детали автомобилей, морских судов, трубопроводы и даже протезы. Но использование базальт-композита часто ограничено его недостаточной прочностью. Уже доказано, что повлиять на свойства материала можно с помощью гамма-облучения. Оно может как улучшить, так и ухудшить прочностные характеристики. Однако как именно меняется его микроструктура под воздействием радиации, пока не выяснено. Ученые Пермского Политеха изучили, как различные дозы облучения воздействуют на свойства базальт-композита на молекулярном уровне. Исследование позволит точнее подбирать условия для радиационного усовершенствования материалов, чтобы производить промышленные изделия с требуемыми свойствами.

Статья с результатами опубликована в журнале «Цифровая наука», 2023 год. Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках программы деятельности Пермского НОЦ «Рациональное недропользование» и проекта Международной исследовательской группы (С-26/591).

Базальт – это наиболее распространенная порода в составе земной коры. По своей сути это магма, излившаяся из жерл вулканов и застывшая камнем. Его месторождения есть практически во всех странах, их запасы огромны, поэтому использование такого материала в промышленности экономически выгодно.

Благодаря своим уникальным свойствам и сравнительной дешевизне базальт – один из самых востребованных материалов. Он экологически чистый, не горит и выдерживает температуры до 400℃, прочен, устойчив к механическим и химическим воздействиям. Базальтовые волокна широко применяются в автомобильной, аэрокосмической, нефтегазовой отрасли, строительстве и медицине. Они используются при армировании бетона, производстве цистерн и баллонов, протезов, конструировании элементов морских судов и трубопроводов.

Чем надежнее материал, тем шире сфера его применения. Научное сообщество активно исследует способы повышения прочности современных композитов, используя в том числе гамма-облучение. Уже известно, что оно может улучшить упругие и прочностные характеристики базальт-композита. Однако существует риск деструктивных изменений, поэтому важно разобраться, как именно гамма-кванты воздействуют на структуру композита в микромасштабе.

– Мы облучили образцы композиционного материала, состоящего из эпоксидного связующего и базальтового ровинга (жгута из волокон). С помощью сканирующей электронной микроскопии изучили локальный элементный состав композита при нарастающих дозах облучения, – рассказывает кандидат технических наук, доцент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ Владимир Онискив.

Ученые выделили три группы образцов. Первая не облучалась, а использовалась для сравнения характеристик. На остальные воздействовали гамма-квантами в различных дозах (5, 10 и 15 Мрад). Время испытания зависело от запланированной дозы, например, до 15 Мрад образец облучался в течение 14 дней.

Сканирующая электронная микроскопия показала, что радиационное воздействие меняет состав материала. При дозе в 5 Мрад массовая доля углерода в эпоксидной части резко снижается, но увеличивается доля кислорода и появляется кремний. В базальте, наоборот, доля углерода увеличивается, а кислорода и кремния – снижается. Это говорит о том, что в материале формируются новые межмолекулярные связи (сшивка) с образованием органо-силикатно-кремниевых соединений, что приводит к упрочнению композита.

При дальнейшем облучении до 10 Мрад сшивка продолжается, но ее скорость заметно снижается. Поглощаемая энергия облучения становится уже избыточной. Доза 15 Мрад приводит к обратному процессу – деструкции композита.

Исследование ученых Пермского Политеха позволяет на молекулярном уровне обосновать, как гамма-кванты влияют на базальт-композиты. Политехники рекомендуют такой способ модификации материала для его упрочнения. Однако доза облучения не должна превышать 10 Мрад, а мощность излучения – 12 рад/сек. Результаты исследования помогут создавать ответственные изделия с улучшенными механическими свойствами.