Углеродное волокно наконец-то подружили с нанотрубками

Углепластики, состоящие из переплетённых нитей углеродного волокна, которые находятся в матрице из эпоксидных смол, — один из важнейших конструкционных материалов в современной авиации и некоторых автомобилях высшей ценовой категории. По плотности они в 4–5 раз уступают стали, при зачастую более высокой прочности.

Попытки улучшить их параметры предпринимаются давно, и одним из самых перспективных методов считается использование углеродных нанотрубок. Если сегодня углепластик слишком дорог для массового сегмента автомобильного рынка, то радикальное увеличение его прочности при сопоставимой цене, думается, должно позволить продвинуть его применение по меньшей мере в наиболее нагруженных деталях современных машин.

«Правда, до сих пор попытки улучшить одну особенность этого материала вели к деградации углеродного волокна, лежащего в основе углепластика», — замечает адъюнкт-профессор Брайан Уордл (Brian Wardle) из Массачусетского технологического института (США).

Дело в том, что наращивание углеродных трубок на углеродном волокне доселе всегда приводило к снижению прочности последнего, и причина явления оставалась неясной. Теперь, кажется, исследователям из МТИ во главе с г-ном Уордлом удалось докопаться до корня проблемы. Детально проанализировав существующие в промышленном производстве условия изготовления углепластика, материаловеды заметили, что

перед заливкой волокон эпоксидными смолами их подвергают сильнейшему натяжению почти до предела прочности. В лабораториях же учёные почему-то не задумывались над воспроизведением такого условия создания экспериментальных углепластиков с углеродными нанотрубками.

Чтобы избежать просчёта, исследователи создали относительно простое устройство, позволяющее растягивать волокна углерода, что в 10 раз тоньше человеческого волоса, при помощи набора грузиков. Затем волокна получали специальное покрытие и нагревались в печи, после чего методом химического парофазного охлаждения на нагруженном волокне наращивались углеродные нанотрубки.

Но не всё оказалось столь просто, как ожидалось. Выяснилось, что то самое специальное покрытие с частицами железа, на основе которых затем формировались нанотрубки, также провоцирует деградацию волокна, хотя и в меньшей степени, нежели отсутствие его преднатяжения перед нагревом.

Но без железа наращивать нанотрубки не получается. Что же делать? В попытке исключить контакт железа с волокном, последнее предварительно покрыли тонким слоем глинозёмной керамики. Увы, при нагреве он начал осыпаться хлопьями. Чтобы справиться и с этим вызовом, группа г-на Уордла разработала полимерное покрытие K-PSMA, работающее по принципу кондиционера для волос, только в обратном направлении. Если привычный нам кондиционер состоит из абсорбирующего воду компонента, позволяющего составу прилипать к волосам, и водостойкой части, которая делает волосы более гладкими, то в K-PSMA тоже есть гидрофильный и гидрофобный «ингредиенты», но водостойкий позволяет покрытию прилипать к углеволокну, в то время как впитывающий воду компонент обеспечивает сцепление с глинозёмной керамикой и металлическим катализатором (на основе железа), необходимым для выращивания нанотрубок.

Чтобы ликвидировать деградацию углеволокна, связанную с его нагревом при выращивании на нём нанотрубок, парофазное осаждение проводилось при температуре, на 300 градусов меньшей той, что используется сегодня. В итоге удалось создать композит, объединяющий углеволокно и нанотрубки в одном материале без деградации волокна, и при этом с меньшими энергетически затратами.

Не так часто в важных аэрокосмических материалах удаётся добиться существенных сдвигов, но, кажется, это как раз тот редкий случай.

Авторы новой технологии производства углепластиково-нанотрубочных композитов уже запатентовали её и теперь надеются на внедрение, поскольку только так можно улучшить показатели конечных изделий аэрокосмической индустрии.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале ACS Applied Materials and Interfaces.

Источник: Наноньюс