В ПНИПУ провели исследование радиационной устойчивости композитных материалов, предназначенных для медицинских целей.

Статья с результатами опубликована в журнале «Наука о полимерах». Исследование было проведено при поддержке Минобрнауки России в рамках программы Пермского научно-образовательного центра «Рациональное недропользование» и проекта Международной исследовательской группы.

В современном обществе большое внимание уделяется разработке новых композиционных материалов на основе природных компонентов, таких как базальт. Его уникальные свойства, включая устойчивость к коррозии и высоким температурам, повышают надежность различных конструкций. Это обуславливает растущее применение таких композитов в строительной, автомобильной, аэрокосмической и нефтегазовой сферах.

Изделия, изготовленные на основе базальта, обладают радиационной прозрачностью – при рентгенографическом исследовании они не создают тень, характерную для непрозрачных материалов. Это качество, наряду с их сравнительной дешевизной, открывает новые возможности для применения в медицине. Например, их можно использовать в качестве элементов для фиксации костных фрагментов поврежденных конечностей при травмах и переломах.

Тем не менее, органические материалы, благодаря своей структуре, подвержены радиационному разрушению, что означает, что определенная степень облучения негативно сказывается на стойкости изделия, уменьшая его прочность. Для улучшения механических свойств осуществляется армирование (внутреннее укрепление) материала с помощью углеродных волокон. Полученные гибридные композиционные материалы обладают широким спектром возможного применения и являются более совершенными.

Ученые Пермского Политеха в сотрудничестве с Уральским институтом композиционных материалов исследовали свойства такого гибридного базальтокомпозита, армированного углеродным волокном, подвергая его механическим нагрузкам и гамма-облучению.

«Прочность и радиационная стойкость материала – важные эксплуатационные характеристики для медицинских изделий, которые функционируют 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», – подчеркивает Владимир Онискив, доцент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ, кандидат технических наук.

Ученые изготовили образцы, армированные базальтовыми и углеродными волокнами, и подвергли их радиационному воздействию с различными дозами. После облучения образцы испытали на растяжение, сжатие и изгиб.

Эксперименты показали, что при облучении дозами в 5-10 Мрад наблюдается некоторое увеличение прочности образцов благодаря межмолекулярному сшиванию макромолекул. Однако поглощенная дозировка в 15-20 Мрад значительно снижает прочность материала, поскольку межмолекулярные связи разрушаются.

Исследователи установили, что использование комбинации базальтовых и углеродных волокон способствует повышению прочностных характеристик 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 в аспектах радиопрозрачности, прочности и радиационной стойкости», – поделился Владимир Онискив.

Исследование ученых ПНИПУ и УНИИКМ подтвердило, что базальтовые композиты, армированные углеродными волокнами, являются перспективными для производства элементов различных медицинских изделий и повышения их эффективности и долговечности в процессе эксплуатации. Результаты экспериментов содействуют развитию новых видов композиционных материалов.