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