Ученые ПНИПУ выяснили, когда стекловолокно улучшает свойства полимера

Масштабное исследование, установившее, что кардинально изменить свойства конечного изделия из полиамида и повысить его прочность на 23–44% можно за счет правильного выбора формы добавляемых стеклянных частиц и ориентации 3D-печати, провели специалисты Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 20 мая сообщает пресс-служба вуза.

Универсальный пластик полиамид 12 широко используется в 3D-печати при изготовлении деталей для авиа- и машиностроения, а также для создания медицинских протезов и имплантатов. Это обусловлено тем, что данный материал сочетает в себе прочность, гибкость, химическую стойкость и биосовместимость. При этом такие недостатки полимерных материалов, как пористость и хрупкость, устраняются добавлением в них армирующих частиц, в том числе из стекла. Исследование ученых Пермского Политеха поможет высокотехнологичным отраслям создавать улучшенные композитные изделия на основе полиамида, обладающие заданными характеристиками. Результаты исследования были представлены в статье «Ученые Пермского Политеха выяснили, в каких случаях стеклянные частицы улучшают свойства полимерных изделий» (Perm Polytechnic University Scientists Have Found Out In Which Cases Glass Particles Improve The Properties Of Polymer Products), опубликованной в International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2025 год. Такую технологию 3D-печати, как метод селективного лазерного спекания, часто применяют для изготовления деталей из полиамида 12. По этой технологии из полимерного порошка изделия любой формы создаются лазером слой за слоем. Метод позволяет формировать в изделиях сложные решетчатые структуры минимального веса и максимальной прочности, что важно в авиастроении для изготовления, например, обшивки салона самолета, корпуса БПЛА и др. Детали, изготовленные методом селективного лазерного спекания, обладая высокой прочностью и хорошей устойчивостью к усталости, могут оказаться хрупкими из-за внутренней пористости. Чтобы избежать этого, в состав порошка полимера добавляют специальные армирующие элементы. В настоящее время в качестве таких добавок активно рассматриваются стеклянные волокна. Чтобы проверить, как армирование стеклянными частицами в виде шариков и коротких волокон изменяет прочностные характеристики изделий из полиамида, исследователи ПНИПУ изготовили соответствующие образцы, используя при этом горизонтальную и вертикальную ориентацию печати. Ученые провели комплексные испытания тех и других образцов на растяжение, изгиб, сжатие, ударную вязкость, вязкость разрушения и на усталость, после чего сравнили полученные характеристики с характеристиками полиамида без добавок. Заведующий научно-исследовательской лабораторией «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук Михаил Ташкинов рассказал о полученных результатах: «Эксперименты показали, что состав материала необходимо выбирать в зависимости от того, при каких нагрузках будет использоваться деталь. Так, применение стеклянных шариков немного снизило прочность образцов при испытаниях на разрыв и ударную вязкость. Чистый полиамид менее жесткий, но показал лучшую прочность в этих испытаниях. Образцы с неравномерным распределением коротких стеклянных волокон в полимере ухудшили большинство показателей, включая прочность и пластичность». При этом политехники выяснили, что ориентация печати оказывает значительное влияние на свойства изделия. Так, напечатанные горизонтально образцы показали прочность на 23–44% большую, чем напечатанные вертикально, что следует учитывать при проектировании изделий и подготовке программ печати. «С точки зрения промышленного применения выбор конкретного материала должен зависеть от точных условий эксплуатации детали, вида и величины предполагаемых нагрузок», — отмечает младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ Илья Виндокуров. Поэтому для получения конструкций, требующих повышенной жесткости и стабильности размеров, например, корпусов и оболочек приборов электроники, конструкционных компонентов дронов и аэрокосмической техники, в полиамид следует добавлять стеклянные шарики. Если же для изделия важна ударопрочность, например, для съемных элементов и деталей, работающих в условиях износа и ударов, таких как протезы, то лучше всего при печати использовать чистый полиамид без наполнителей, пояснил Илья Виндокуров. Таким образом, результаты исследования ученых ПНИПУ позволят предприятиям создавать методами аддитивного производства композитные детали с учетом их конкретных функций, что особенно важно для областей, где критичны точность и надежность. glavno.smi.today