Новые достижения в производстве композитов на основе углеродных волокон

Источник: mit.edu

Современные композиционные материалы из углепластика часто используются в авиационной промышленности, чтобы обеспечить экономию топлива. Такие композиты соответствуют по прочности алюминию и титану, но намного легче металла. Углепластик позволяет сократить вес самолета на 20%. Для нового поколения авиационной и космической техники исследователи ищут еще более прочные и легкие материалы. В частности, изучается возможность покрытия углеродных волокон нанотрубками — мельчайшими трубочками, состоящими из кристаллического углерода. Если их расположить в определенной конфигурации, материал может стать в сотни раз прочнее стали, и в шесть раз легче. Главное препятствие для получения таких композитов лежит на наноуровне.

Ученые, пытавшиеся вырастить углеродные нанотрубки на волокнах, обнаружили, что процесс приводит к значительному ухудшению качества основных волокон, лишая их присущей им прочности. Теперь команда Массачусетского технологического института (США) определила причину деградации волокон и разработала методы сохранения их прочности. Новая технология делает углепластик не только более крепким, но и более электропроводным. Исследователи утверждают, что их разработка легко интегрируется в существующий производственный цикл. Адъюнкт-профессор Брайан Уордл, постдок Стивен Штайнер и аспирант Ричард Ли начали свою работу с посещения заводов, выпускающих углеродное волокно в Японии, Германии и США. Они обратили внимание, что в процессе производства волокна растягиваются до точки, близкой к точке разрыва, и нагреваются до высокой температуры. Исследователи, проводившие опыты в лабораториях, обычно не использовали напряженность волокон.

Для репликации производственного процесса Ли и Штайнер создали специальный аппарат. Ученые пропустили через устройство отдельные волокна (каждое из которых в 10 раз тоньше волоса), как струны гитары, и подвесили к ним крошечные грузики, чтобы туго натянуть. Затем волокна были обработаны специальным набором покрытий, и с помощью химического осаждения из пара вдоль каждого из них был выращен слой углеродных нанотрубок. Наконец, волокна, покрытые нанотрубками, были нагреты в печи. Традиционно, для выращивания нанотрубок волокна должны быть металлическим катализатором (например, железом). Многие ученые высказывали предположение, что именно этот катализатор приводит к деградации волокон. Но эксперименты, проведенные Штайнером и Ли, показали, что катализатор несет ответственность только за 15% повреждений волокна.

Главное ухудшение было связано с отсутствием напряжения при нагреве волокон выше определенной температуры. Команда разработала две практические стратегии для сохранения прочности волокон. Во-первых, ученые покрыли волокна слоем керамики из оксида алюминия, чтобы позволить железному катализатору прикрепиться к волокну, не вызывая повреждений. В начале слой оксида алюминия отслаивался, чтобы предотвратить это, было создано полимерное покрытие под названием K-PSMA. Вещество состоит из гидрофильных и гидрофобных компонентов. Гидрофобный компонент обеспечивает прикрепление к волокну, а компонент, адсорбирующий воду, притягивает к себе глинозем и металлический катализатор.

Ученые обнаружили, что K-PSMA обеспечивает создание прочного покрытия из алюминия и железа без дополнительных процессов, таких как травление поверхности волокон. Подвергнув полученные волокна напряжению, исследователи успешно вырастили на них нанотрубки. Вторая стратегия была разработана, чтобы устранить необходимость в натягивании волокон за счет снижения температуры роста нанотрубок. Оказалось, что в случае использования K-PSMA нанотрубки можно выращивать при температуре, на 300 градусов ниже, чем обычно. Благодаря этому можно избежать повреждения волокон. Как отмечает г-н Штайнер, такой процесс является простым и экономически эффективным, так как снижаются затраты энергии и количество посторонних веществ, которые нужно нанести на волокна. На следующем этапе работы ученым предстоит доказать, что различные слои и покрытия углеродного волокна остаются на месте в процессе использования материала.