Новости науки | ||
21.03.02. Идеальные армирующие наполнители для композитов. | ||
Одно из возможных применений механически прочных
углеродных нанотрубок - армирующие наполнители композиционных материалов.
Однако относительно слабая связь между углеродными нанотрубками и композитной
матрицей ограничивает механическую прочность композита. Американские ученые
предлагают для улучшения связи использовать нанотрубки, покрытые нанобугорками
из карбида бора.
С одной стороны, такие параметры углеродных нанотрубок, как высокое
аспектное число (отношение длины к диаметру нанотрубки), большой модуль Юнга и
низкая плотность, способствуют их применению в качестве армирующих наполнителей
композиционных материалов. С другой стороны, слабая связь между относительно
"инертными" углеродными нанотрубками и композитной матрицей ограничивает
возможную механическую прочность композита. Многочисленные эксперименты
показали, что в процессе нагружения нанотрубки выталкиваются из матрицы, а не
разрушаются внутри нее. Исследованы различные способы улучшения связи
нанотрубки с матрицей. Один из них - нанесение на нанотрубки металлических или
оксидных покрытий. Это улучшает связь, но только для внешнего слоя многостенных
нанотрубок, в то время как взаимодействие между внутренними слоями по-прежнему
определяется слабыми силами Ван дер Ваальса. Под действием растягивающего
напряжения нарушается целостность многостенных нанотрубок с покрытиями -
внешний слой снимается, как футляр. Было бы желательно обеспечить связь с
матрицей и для внутренних слоев.
Для решения этой задачи американские ученые предложили использовать твердофазную реакцию
между бором и углеродными нанотрубками, приводящую к образованию на поверхности нанотрубок
нанобугорков из карбида бора (BxC). Образовавшиеся нанобугорки прочно связывают
нанотрубки с матрицей. Оказалось, что изолированные нанобугорки предпочтительнее сплошного
покрытия, причем они связывают и внутренние слои нанотрубок. Карбид бора является соединением с
ковалентным типом связи, это материал с исключительной твердостью (уступает только алмазу и
нитриду бора), отличными механическими, термическими и электрическими свойствами. По мнению
исследователей, связь между BxC и нанотрубками также может быть ковалентной, что важно
для улучшения механических свойств композита.
В эксперименте многостенные углеродные нанотрубки были получены методом химического
осаждения паров. Затем нанотрубки были осторожно перемешаны с порошком MgB2,
завернуты в Та фольгу и подвергнуты термообработке в вакуумной печи при 1100 С - 1150 С в течение 2
часов. В результате образовались нанобугорки BxC требуемой морфологии, а не сплошной
слой. На рисунке показаны углеродные нанотрубки до (а) и после (b) образования бугорков
BxC. Средний размер бугорков около 80 нм, в 2-3 раза больше диаметра нанотрубок.
Плотность бугорков на нанотрубке изменяется значительно по ее длине, расстояния между ними
варьируются от 30 до 500 нм. Реакция между бором и углеродной нанотрубкой сильно локализована и
поэтому основная структура многостенной нанотрубки остается неизменной. Поверхностной диффузии
бора при этом не наблюдается, граница между нанобугорками и углеродными нанотрубками резкая.
Поскольку химическая связь, по-видимому, является ковалентной, она мешает разрыву по границе
раздела фаз при приложении нагрузки. Можно ожидать, что многостенные углеродные нанотрубки с
нанобугорками из карбида бора будут идеальными упрочняющими наполнителями (к сожалению,
полученного материала было недостаточно для исследования его механических свойств).
Источник информации - заметка О.Алексеевой в бюллетене ПерсТ (выпуск 5 за 2002 г.)
| ||
|