Важная легковесность

Ученые Университета МИСИС и Сколтеха разработали технологию производства нового композитного материала на основе шунгита и углеродных волокон в графитовой матрице. Материал отличается сочетанием низкой плотности с высокой прочностью и химической стабильностью при повышенных температурах. Использовать его можно будет для производства топливных ячеек, суперконденсаторов, а также компонентов авиационных двигателей нового поколения.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Композиты с углеродными наполнителями массово востребованы в промышленности. Благодаря своим уникальным свойствам — высокой химической и температурной стойкости — они могут служить материалом для производства узлов и техники, работающих в экстремальных условиях. В отличие от тяжелых тугоплавких металлов, которые легко подвержены окислению, углеродные материалы имеют исключительную высокотемпературную стойкость и малый вес. В то же самое время диапазон свойств углеродных материалов чрезвычайно широк: от алмаза до графита.

Материаловеды активно развивают новый класс композитов, состоящих из различных углеродных упрочняющих наполнителей в графитной матрице, полученной методом карбонизации — превращения полимера в углеродный материал.

Ученые Университета МИСИС и Сколтеха представили технологию быстрого и экономичного производства подобного композита и выявили оптимальные параметры термической обработки, при которых материал достигает наилучших показателей по критерию «трещиностойкость» — сопротивляемость зарождению и распространению трещин, которая фактически определяет предел прочности для хрупких и квазихрупких материалов.

Технологический процесс синтеза композита представляет собой «запекание теста» из эластомера (мягкого полимера типа каучука), в которое примешана упрочняющая «начинка», при нескольких температурах свыше 180 C. Часто в качестве «начинки» применяется углеволокно. Однако оно довольно дорого и объем его закупок ограничен. Поэтому в новом материале короткие углеродные волокна были частично замещены на шунгит, также известный как «аспидный камень». Шунгит — впервые найденная в России уникальная ископаемая докембрийская горная порода, состоящая почти на 100% из углерода.

Результатом этого процесса стало обогащение исходного продукта углеродом с одновременной перестройкой его структуры. Пластичный полимер, которому легко можно придать нужную форму, превращается в одно из стабильных углеродных соединений, таких как графит или алмаз, с повышенной прочностью и термостойкостью. Изготовить из графита или алмаза необходимую деталь механическими способами практически невозможно, учитывая уникальную жесткость этих материалов.

«Целью этого исследования была оптимизация процесса карбонизации с точки зрения повышения трещиностойкости образцов в зависимости от температуры обработки и состава исходной смеси, а именно от содержания углеродных упрочняющих фаз. Поэтому потребовалась тщательная подборка условий для получения наиболее высоких значений критического коэффициента интенсивности напряжений, достигнутых у образцов, карбонизованных при максимальной температуре 280 °С»,— рассказал соавтор работы, заведующий кафедрой физической химии Университета МИСИС, кандидат физико-математических наук Алексей Салимон.

По словам исследователей, полученный материал может применяться для изготовления ключевых деталей топливных ячеек (устройств для преобразования химической энергии топлива непосредственно в электрическую без сжигания), узлов химически стойкой аппаратуры, сложной насосной техники для добычи нефти на рекордных глубинах и в самых суровых условиях (песок, сероводород, температура свыше 200 С). Еще одно перспективное направление — использование материала для создания нового поколения компонентов авиационных двигателей.

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания №075-00268-20-02 и Российского фонда содействия инновациям, грант №14908ГУ/2019.

Подготовлено по материалам, предоставленным пресс-службой МИСИС

Использованы данные из статьи.