Ученые из НИТУ МИСИС и Сколтеха создали технологию, благодаря которой можно создать новый композитный материал на основе шунгита и углеродных волокон в графитовой матрице. Низкая плотность и высокая прочность вещества, а также химическая стабильность позволяют использовать его для производства топливных ячеек, супер-конденсаторов и компонентов авиационных двигателей нового поколения. Исследование опубликовано в журнале Polymers.
Композиты с углеродными наполнителями очень востребованы в промышленности. Специалисты используют их для производства узлов и техники, работающих в экстремальных условиях. У этих материалов есть уникальное свойство — высокая химическая и температурная стойкость. Тяжелые тугоплавкие металлы, которые использовались в промышленности раньше, легко подвержены окислению. Кроме того, композиты с углеродными наполнителями весят существенно меньше.
Именно поэтому материаловеды активно работают над новым классом композитов, состоящих из различных углеродных упрочняющих наполнителей в графитной матрице, полученной методом карбонизации — превращения полимера в углеродный материал.
Технология, которую предложили ученые из Сколтеха и НИТУ МИСИС, позволяет создать композит быстрее и дешевле. Специалисты также выявили, какая термическая обработка подарит материалу «трещиностойкость». Эта технология представляет из себя «запекание» эластомера, в который добавляются компоненты, укрепляющие материал. Все это происходит при температуре выше 180?C. Раньше в качестве такой «начинки» ученые использовали короткое углеволокно: дорогое и дефицитное. Новизна исследования ученых заключается в том, что они заменили углеволокно на шунгит (также известный как «аспидный камень»). Это ископаемое почти полностью состоит из углерода. В результате структура вещества меняется, как и его свойства. Пластичный полимер становится прочным и термостойким.
«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, Алексей Салимон.
Исследователи отметили, что материал можно использовать для того, чтобы создавать ключевые детали топливных ячеек (устройств для преобразования химической энергии топлива непосредственно в электрическую без сжигания), узлы химически стойкой аппаратуры, сложную насосную технику для добычи нефти на рекордных глубинах и в самых суровых условиях (песок, сероводород, температура свыше 200?С). Кроме того, материал можно использовать для того, чтобы разрабатывать новое поколение компонентов авиационных двигателей.