Вся история человечества делится на эры — и называются они по основным материалам, с которыми в тот или иной период работали люди: каменный век сменялся бронзовым, бронзовый — медным, медный — железным. Конец ХХ века и начало ХХI с полным правом можно назвать «эрой композитов». Хотя некоторые композитные материалы известны людям на протяжении тысячелетий, сама концепция целенаправленного поиска нужных технологам свойств в комбинациях различных материалов и исследований того, как структуры входящих в них составных частей влияют на свойства итоговой композиции, родилась именно в этот период. «Композитными» теперь делаются детали машин и самолетов, запчасти для роботов и даже зубные протезы, а в медицине ученые уже работают с биологическими композитами, в состав которых входят настоящие живые клетки: это сейчас одна из наиболее прогрессивных областей материаловедения.

Композиты — это широкий перечень материалов, изготовленных из нескольких компонентов с разными химическими и физическими свойствами, сочетание которых позволяет получить материал с принципиально новыми характеристиками.
Первые композитные материалы придумали не современные ученые и даже не далекие предки человека. Саман — кирпич из смешанной с соломой глины для постройки зданий — делали еще древние египтяне, но идею они, скорее всего, позаимствовали у ласточек или других птиц, которые лепят гнезда из глины, укрепляя конструкцию травинками.

"

СЕМЕН КИШИЛОВ

ветроэнергетика

автомобилестроение

судостроение

робототехника

медицина

спортинвентарь

авиация

мебель

Бурное развитие в середине ХХ века целого «куста» технологий — ядерных, космических, авиационных и энергетических, — первоначально связанных с задачами, стоявшими перед тогдашними ВПК, потребовало материалов с совершенно новыми свойствами. То, из чего человечество создавало машины и технику до сих пор, годилось для века пара и дизеля, однако не способно было выдерживать нагрузки в новых отраслях. Ракетостроение требовало новых сплавов для двигателей, корпусов и топливных баков, ядерная энергетика — радиационно стойких материалов, баллистические части и спускаемые модули космических аппаратов — покрытий и деталей, не сгорающих в атмосфере при температурах в тысячи градусов, а сверхзвуковые самолеты — предельно легких и одновременно прочных фюзеляжей, шасси и крыльев. Одним из решений этой проблемы и стали композиты — сочетания разнородных материалов, технологически объединяемых в единое целое.

Концепция оказалась настолько успешной, что «пошла в массы». Например, сегодня банальная труба, по которой подается вода к водопроводному крану, с высокой вероятностью — композитный материал, металлопласт, сплавленные в единое целое слои металла, обеспечивающие прочность на разрыв, полиэтилен, обеспечивающий химическую стойкость и нейтральность внутренней части трубы, и полипропилен, формирующий ее наружную поверхность. Результат выдерживает давление не хуже стальной трубы. При этом он легче, долговечнее, так как не ржавеет, и при необходимости режется острым ножом — без болгарки, сварки, труборезов и участия специально обученных людей. Из композитов теперь делаются миллионы вещей — от деталей спутников до корпусов смартфонов, от стройматериалов до кузовов автомобилей. Но из чего делают сами композиты?

В принципе — из чего угодно, если результат удовлетворяет условиям поставленной задачи. Структурно в состав композита входят как минимум два компонента: армирующий и связывающий, который называется «матрицей». Но на деле их могут быть и десятки.

 дисперсно-армированные, когда армирующий компонент представляет собой мелкие частицы, расположенные в беспорядке;

 волокнистые, где элементы арматуры напоминают волокно, ориентированное в определенном направлении;

Материалы могут быть:

 слоистые, как папье-маше, где армирующий материал располагается слоями.

Матрица композита бывает:

"

СЕМЕН КИШИЛОВ

По сути, все композиты производятся путем совмещения наполнителя и матрицы в материал, который ведет себя как единое целое. Но технологии «замеса» составляющих довольно сильно различаются:

Ручное формование: форма намазывается матрицей, потом на нее наклеивается ткань, и все это затвердевает.

Метод напыления: компоненты смешиваются непосредственно в пульверизаторе и наносятся на поверхность формы. При затвердевании такая смесь образует новый материал. Так делают, например, композитные бассейны, корпусы ветрогенераторов.

Вакуумная инфузия: ткань, например, из стекловолокна, и другие компоненты укладываются в форму; конструкцию помещают в вакуумный мешок, из которого откачивается воздух, после чего в мешок подается связующее, оно под действием вакуума пропитывает все составляющие матрицы. Технология вакуумной инфузии применяется в производстве панелей корабельных корпусов.

Пропитка в форме: в отличие от вакуумной инфузии, здесь форма состоит из двух частей, как в вафельнице, а связующие компоненты подаются с помощью насоса.

Намотка: волокно пропитывается связующим и наматывается на форму в несколько слоев и пропитывается связующим — так делают баллоны высокого давления и трубы для газопровода.

Пултрузия: волокна и связующее в горячем виде протягиваются через специальные отверстия фильеры, задающие формы будущего изделия, и, остывая, затвердевают. Эту технологию применяют для изготовления перил и строительных профилей.

"

СЕМЕН КИШИЛОВ

Медицина стала одной из самых требовательных и сложных областей для материаловедов и поставила перед ними амбициозные задачи по разработке и применению композитов. Это связано с целым классом новых требований, которые эта отрасль предъявляет к тому, из чего изготавливаются медицинские изделия, будь то аппараты ИВЛ, костные имплантаты, зубные протезы или даже целые органы человека и животных. Среди самых важных требований к ним — биологическая совместимость, химическая нейтральность или, наоборот, специфическая активность, если речь идет о сращивании искусственного материала с живой тканью, гипоаллергенность, прочность, долговечность и безопасность при разрушении.

"

ФЕДОР СЕНАТОВ

Активная разработка биоматериалов в интересах медицины началась в 1960-х годах. Металлические структуры традиционно использовали для реконструкции костей, керамику — в стоматологии, а полимерные материалы — для «ремонта» суставов, кровеносных сосудов и др. При этом перечень «запросов» медиков к материаловедам постоянно расширяется.

"

ФЕДОР СЕНАТОВ

Поскольку «замена запчасти» в медицине совсем не то, что в технике, это в любом случае — операция на живом организме, важным требованием к медицинским композитам стала биорезистентность — их способность сопротивляться износу и вообще воздействиям внутренней среды организма. Чтобы протез сустава служил годами, не теряя своих биомеханических свойств, несмотря на то что он находится в теле, омывается физиологическими жидкостями и выдерживает постоянные и повторяющиеся нагрузки. При этом есть у медиков и «встречное требование»: некоторые медицинские композиты, напротив, должны быть биорезорбируемыми — такими, которые постепенно рассасываются при помещении в организм и, что важно, выводятся в виде безвредных составляющих.

"

ФЕДОР СЕНАТОВ

В медицине своеобразное развитие получает создание композитов посредством еще одной прогрессивной технологии — 3D-печати. По сути, результат работы 3D-принтера с многочисленными слоями различных материалов сам по себе является уникальным композитом, предельно точно адаптированным под решение конкретной задачи, будь то подготовка структуры для выращивания новых органов или костное протезирование.

"

ФЕДОР СЕНАТОВ

Но, пожалуй, самый интересный из видов 3D-печати — биопринтинг. Фактически это 3D-печать комфортной «арматуры» для стволовых клеток, «расселение» их в ней — и постепенное превращение такого композита в живой орган, будь то кость, хрящ или сосуд. Звучит фантастически, но это уже сейчас делается в Москве.

"

ФЕДОР СЕНАТОВ

Нет, речи о полностью функциональных живых «биокомпозитных» органах пока не идет — даже эксперты называют это фантастикой. Однако эксперименты в этом направлении продолжаются, а научная база непрерывно расширяется. Одним из наиболее перспективных проектов в этом направлении ученые называют печать «композитной» кожи: для плоской структуры проще обеспечить питательную среду, это же относится, например, к тканям сосудов.

При этом технические ограничения в поддержании такой «искусственной жизни» в процессе ее создания компенсируются новыми возможностями, которые приносят композиты. Искусственный мозг вырастить не получится еще долго, да и неизвестно, надо ли, но эксперименты по «вживлению» нервных структур в синтетическую основу, по словам ученых, идут уже сейчас и дают определенные результаты. Что из этого получится — смартфон-перчатка или пластырь, который сам находит ссадину, — мы пока не знаем.