ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК НА СВОЙСТВА АЛЛЮМИНИЕВЫХ КОПОНЕНТОВ

Исследование влияния углеродных нанотрубок на свойства алюминиевых композитов. Установление зависимости физико-механических свойств алюминиевых композитов от уникальных свойств углеродных нанотрубок.

На протяжении последних лет в различных областях науки и техники все более популярными становятся объекты нанометрового масштаба. Проблема создания твердотельных наноструктур с заданными свойствами и контролируемыми размерами входит в число важнейших проблем 21 века. Ее практическое решение вызвало революцию в материаловедении, электронике, механике, химии, медицине и биологии.

Развивающиеся технологии современного машиностроения требуют разработки новых конструкционных материалов, которые были бы способны обеспечить достаточный уровень прочности и, одновременно, малый вес изделий. Открытие углеродных нанотрубок относится к наиболее значительным достижениям современной науки. Долгие годы считалось, что углерод может образовывать только две кристаллические структуры — алмаз и графит, однако это оказалось не так. Нанотрубки следует рассматривать как новый материал с уникальными физикохимическими свойствами, открывающий большие возможности для широкого применения.

Углеродные нанотрубки (турбулены) — одна из твердых форм углерода, представляющая собой протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена.

Рисунок 1. Фотография нанотрубки, сделанная электронным микроскопом

Включая нанотрубки в различные сплавы (алюминиевые, магниевые, литиевые) можно существенно повысить износостойкость, прочность и трещиностойкость. Создание подобных материалов часто происходит на базе полимеров или металлов, обладающих малой плотностью. Повышение комплекса механических свойств таких материалов возможно за счет модифицирования их структуры или введения в них упрочняющих фаз. В связи с этим, использование наноразмерных частиц в качестве упрочняющей или модифицирующей фазы является перспективным с позиции получения материалов, обладающих высокой удельной прочностью.

Углеродные нанотрубки обладают уникальными упругопрочностными, теплофизическими и электрическими свойствами. Но, многослойные нанотрубки отличаются от однослойных более широким разнообразием форм и конфигураций.

Таблица 1.

Характеристики многослойных и однослойных углеродных нанотрубок

Таблица 2.

Другие характеристики углеродных нанотрубок (УНТ)

Эта форма углерода, представляющая собой свернутый в трубу графеновый лист, обладает рекордными значениями прочности и жесткости. Развитие способов получения этих наноразмерных объектов интенсивно снижает финансовые затраты на их производство. Это дает основания предполагать, что в скором времени вопрос об экономической эффективности их применения перестанет быть актуальным. Длина углеродных нанотрубок достигает десятков микрометров при максимальном диаметре ~ 150 нм (в случае многослойных нанотрубок). При этом их прочность достигает 7 ГПа. Такие высокие механические свойства обеспечивают целесообразность введения нанотрубок в полимеры или металлы. Ожидается, что распределенная в объеме материала высокопрочная наноразмерная фаза обеспечит высокую прочность композиции. Однако решение этой задачи сопряжено с некоторыми сложностями, обусловленными особенностями наноразмерных частиц.

В настоящее время проблемой получения композиционных материалов, армированных углеродными нанотрубками, занимается большое количество отечественных и зарубежных исследователей. Тем не менее, существует ряд проблем, препятствующих введению углеродных нанотрубок в полимерные и металлические материалы. Среди них следует отметить высокую химическую инертность и низкие показатели смачиваемости углеродных наночастиц. Поиск эффективных способов решения данной проблемы представляет собой актуальную задачу. Низкая термическая стабильность углеродных нанотрубок не позволяет ожидать положительного эффекта от введения нанотрубок в расплавы металлов. При этом наиболее вероятными являются процессы образования карбидов, появление которых в структуре металлов является отрицательным фактором. Поэтому проведение функционализации с целью повысить совместимость наночастиц с матричным материалом в большей степени целесообразно в случае полимерных материалов, процессы переработки которых реализуются при более низком уровне температур.

Большинство опубликованных работ в этой области посвящено композитам с полимерной матрицей, в то время как исследований по композитам с металлической матрицей немного. Между тем металломатричные композиты — металлы, упрочненные частицами твердых веществ, обладающие высокой прочностью и в значительной мере сохраняющие свойства металлов (пластичность, тепло- и электропроводность), — являются перспективными конструкционными и функциональными материалами [9].

На сегодняшний день для получения алюминиевого композита, упрочненного углеродными нанотрубками (УНТ), в большинстве работ используются методы порошковой металлургии, заключающиеся в получении брикета — компакта из порошка с последующей его горячей деформацией. Компакты получают с помощью электроискрового спекания, холодного прессования и спекания, взрывного компактирования, горячего изостатического прессования, горячего прессования. В качестве финальной операции использовали горячую экструзию или прокатку. Есть публикации,

в которых успешно совместили получение прессованного брикета из порошка с операцией экструзии, реализовав метод электроискровой экструзии SPE [1].

На данный момент существует ряд проектов, во-первых, занимающихся получением экспериментальных образцов композиционного материала с выбранными составами алюминиевого матричного сплава с различным содержанием углеродных нанотрубок и исследованием его свойств, а во-вторых, разработкой технологии изготовления высокопрочного металлического композиционного материала на основе алюминиевого сплава, армированного углеродными нанотрубками. К конкурентным преимуществам экпериментальных образцов можно отнести:

·     высокопрочный металлический композиционный материал;

·     высокая теплопроводность и низкий коэффициент теплового расширения;

·     коррозионная стойкость;

·     эффективный процесс производства.

Потенциально для разрабатываемого материала могут быть использованы общие свойства других металломатричных композиционных материалов с углеродными нанотрубками. Однако конечный результат будет определятся материалом металлической матрицы (в данном случае алюминий), содержанием и соотношением используемых материалов, используемой технологией изготовления и рядом прочих факторов, определяющих уникальность конкретной разработки.

Свойства металломатричных композитов с углеродными нанотрубками [9]:

·     УНТ равномерно диспергируются по металлу, между нанотрубками и металлической матрицей наблюдается сильная межфазная адгезия.

·     ММК с УНТ обладает превосходными электрическими свойствами и используются для армирования металлов с целью улучшения их электрических свойств.

·     Углеродные нанотрубки характеризует чрезвычайно высокая теплопроводность, что позволяет металлическим матрицам с УНТ использоваться для теплового управления.

·     Термические свойства ММК с УНТ могут быть улучшены на основе распределения и соединения УНТ с матрицей.

·     Производство ММК с УНТ является экономически целесообразным.

·     Добавление УНТ в композиционные покрытия увеличивает их коррозионную стойкость.

·     ММК имеют высокую теплопроводность и низкий КТР.

Основной движущей силой для инвестиций в научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки (НИОКР) углеродных нанотрубок является перспектива создания улучшенных материалов, рассчитанных на широкий диапазон применений.

К областям применения ММКМ с УНТ относятся:

1.  корпусирование электронных схем: припои и радиаторы для теплового управления;

2.  автомобильная промышленность: шестерни, тормозные колодки, поршевые кольца и гильзы цилиндров;

3.  космическая техника: структурные радиаторы и антенные системы с высоким коэффициентом усиления;

4.  аэрокосмическая промышленность: посадочные устройства и тормоза самолета;

5.  микроэлектромеханические системы (МЭМС) и чувствительные элементы для аккумулирования и хранения энергии: хранение водородных материалов, микро-излучения и микро-передачи, аноды и анодные покрытия;

6.  спортивная индустрия: ракетки для бадминтона и тенниса, легкие велосипеды;

7.  в качестве катализаторов и датчиков;

8.  выпускаются в виде пасты из металлических наночастиц с нанотрубками в жидкой среде, что позволяет их высушить до состояния пленки, а затем использовать в качестве электродов в сенсорных устройствах или непосредственно в качестве электродов в основной форме.

Одним из производителей МКМ с УНТ является группа компаний «Оптикэнерго», которая включает в себя 11 независимых предприятий, в т. ч. осуществляющих промышленное производство: «Сарансккабель-Оптика», «ЭМ-КАБЕЛЬ», «ЭМ-КАТ», «ЭМ-ПЛАСТ», «САРМАТ». В частности, компания ОО «ЭМ-КАТ» является производителем алюминиевых сплавов для электротехнических целей. Катанка производится методом непрерывного литья и одновременной прокатки на базе комплексной автоматической линии фирмы “Continuus-Properzi S.P.A”, Италия. Потенциальный объем потребления МКМ с УНТ: 10 тыс. т. в год.

Суммируя все вышесказанное, можно сделать следующие выводы:

1.  Открытие углеродных нанотрубок относится к наиболее значительным достижениям современной науки. Исследования углеродных нанотрубок представляют значительный фундаментальный и прикладной интерес. Фундаментальный интерес к этому объекту обусловлен, в первую очередь, его необычной структурой и широким диапазоном изменения физико-химических свойств в зависимости от хиральности.

2.  В России речь идет скорее об опытно-экспериментальном, а не о промышленном производстве углеродных нанотрубок. Ни один из инвесторов не получает пока прибыли, но все рассчитывают, что вот-вот наступит бум.

3.  К проблеме исследования фундаментальных свойств углеродных нанотрубок вплотную примыкает проблема прикладного использования. Решение этой проблемы, в свою очередь, от создания способов дешевого получения углеродных нанотрубок в больших количествах. Эта проблема пока исключает возможность крупномасштабного применения этого материала.

4.  Благодаря высоким значениям твердости и прочности, материалы на основе углерода привлекают большой интерес как с теоретической, так и с практической точки зрения. Нанотрубки, как было сказано, являются на редкость прочным материалом, как на растяжение, так и на изгиб. Более того, под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки не «рвутся», а перестраиваются.

5.  Добавки углеродных нанотрубок позволяют значительно улучшить прочностные свойства алюминия и его сплавов. Углеродные нанотрубки (УНТ), обладающие высокими механическими характеристиками, рассматриваются как эффективное средство повышения физико-механических свойств композитных материалов.

Список литературы:
1.    Алексеев А.В., Предтеченский М.Р. Алюминиевая фольга, упрочненная углеродными нанотрубками // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика. — 2014. Т. 9. — № 2. — С. 167—172.
2.    Булярский С.В. Углеродные нанотрубки: технология, управление свойствами, применение: [монография] Издательство: Стрежень, 2011 г. ISBN 978-5-88504-069-3.
3.    Бобринецкий И.И., Неволин В.К., Петрик В.И., Чаплыгин Ю.А. Вольтамперные характеристики двухэлектродных элементов с углеродными нанотрубками // Микроэлектроника. — 2003. — № 2. — С. 102—104.
4.    Вишняков Е.М., Хвостов Д.В. Емкостный проводник из полимерного композита с углеродными нанотрубками // КАБЕЛЬ−news. — 2009. — № 12-1. — С. 28—34.
5.    Жуков М.О. Исследование возможности применения модификаторов на основе углеродных наноструктур в технологии эффективных строительных материалов [Текст] / М.О. Жуков, Ю.Н. Толчков, З.А. Михалева // Молодой ученый. — 2012. — № 5. — С. 16—20.
6.    Ильина И. Серебристая мечта // Наука и жизнь. — 2014. — № 1. — С. 62—65.
7.    Неволин В.К., Петрик В.И., Строганов А.А., Чаплыгин Ю.А. Атомная структура нанотрубок из углеродной смеси высокой реакционной способности // Письма в ЖТФ. — 2003. — Т. 29. — В. 8. — С. 84—90.
8.    Рябов С.А., Захарычев Е.А., Семчиков Ю.Д., Исследование влияния времени функционализации углеродных нанотрубок на физико-механические свойства полимерных композитов на их основе // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. — 2013. — № 2 (1). — С. 71—74.
9.    Хисамов Р.Х., Назаров К.С., Зубаиров Л.Р., Назаров А.А., Мулюков Р.Р., Сафаров И.М., Сергеев С.Н., Мусабиров И.И., Фуонг Д.Д., Чин П.В., Луан Н.В., Мин П.Н., Хуан Н.К. Получение, микроструктура и микротвердость армированных углеродными нанотрубками медных композитов // Физика твердого тела. — 2015. — Т. 57. — № 1. — С. 37—42.
10.    Яновский Ю.Г., Козлов Г.В., Буря А.И., Липатов Ю.С. Тепловое расширение полимерных композитов, наполненных углеродными нанотрубками // Физическая мезомеханика. — 2007. — Т. 10. — № 6. — С. 63—67.