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 (B_xC). 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 B_xC и нанотрубками также может быть ковалентной, что важно для улучшения механических свойств композита.

Рис.1. Многостенные углеродные нанотрубки до (a) и после (b) нанесения бугорков B_xC.

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 B_xC требуемой морфологии, а не сплошной слой. На рисунке показаны углеродные нанотрубки до (а) и после (b) образования бугорков B_xC. 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).

перейти к началу страницы