Ученые Университета МИСИС и Сколтеха разработали технологию производства нового композитного материала на основе шунгита и углеродных волокон в графитовой матрице. Благодаря сочетанию низкой плотности с высокой прочностью и химической стабильностью при повышенных температурах его можно будет использовать для производства топливных ячеек, супер-конденсаторов, а также компонентов авиационных двигателей нового поколения. Работа представлена в международном научном журнале Polymers.
Композиты с углеродными наполнителями массово востребованы в промышленности. Они могут служить материалом для производства узлов и техники, работающих в экстремальных условиях, благодаря своим уникальным свойствам — высокой химической и температурной стойкости. 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 квази-хрупких материалов.
Технологический процесс синтеза композита представляет собой «запекание» «теста» из эластомера (мягкого полимера типа каучука), в которое примешана упрочняющая «начинка», при нескольких температурах свыше 180ºC. Часто в качестве «начинки» применяется в короткое углеволокно. Однако, оно довольно дорого и объем его закупок ограничен. Поэтому в новом материале короткие углеродные волокна были частично импортозамещены 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 является 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, к.ф.-м.н. 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 200ºС). 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.
