Препреги изотропные и анизотропные

Изготовление и применение углеродных материалов в препрегах является одним из наиболее востребованных направлений в промышленности. Препреги представляют собой тканый материал, пропитанный полимерным связующим.

«Классический» вариант препрега представляет собой ткань из углеродного волокна (УВ), пропитанный эпоксидной смолой. Из таких препрегов получают углепластики для авиапромышленности и ракетостроенияи, автомобилестроения, судостроения и др.

Замена ткани из углеродного волокна на углеродные нанотрубки или добавка их в УВ способна привести к увеличению прочности конечного изделия, понижению его хрупкости, и успешному использованию в авиа-, ракето-, судо- и автомобилестроении, корпусных изделиях электроники и электротехнике, бытовой технике.

Наномодифицирование препрегов позволяет на 30–50% улучшить свойства материала: оптимизировать вес, производительность изделия, получать композитный материал с хорошими механическими свойствами — усталостная нагрузка, прочность на растяжение, жесткость, хорошее старение и др.

Путем изменения ориентации (укладки) препрега — изотропная или однонаправленная, можно воздействовать на конкретные механические характеристики композита. Анизотропные (однонаправленные) композиты имеют преобладающие механические свойства в одном направлении. Изотропные материалы имеют одинаковые свойства во всех направлениях. В отличие от изотропных полимерных нанокомпозитов анизотропные обладают комплексом особых свойств: их механические характеристики вдоль осей анизотропии выше, чем у изотропных материалов и они обладают свойством демпфирования нагрузок, электро- и теплопроводность по осям анизотропии существенно выше.

Например, препреги с УНТ можно успешно применить для изготовления частей, которые используются в самолетах, вертолетах и других аэрокосмических аппаратов, а также в судостроении, что существенно облегчает вес конструкции, повышает жесткость и прочность.

Ровница и крученая нить

Углеродные нанотрубки склонны крепко слипаться между собой в пучки, формируя ровницу, канат или нить, которые представляет собой прочный, гибкий и износостойкий материал, способный выдерживать многоразовые циклические нагрузки.

Отдельные пучки из нанотрубок, сплетенные в нити, будут незначительно толще, но намного длиннее и прочнее, чем исходный материал. Прочность таких нитей значительно зависит от диаметра и угла скручивания, максимум достигается при толщине нити около 10 мкм. Такие прочные и гибкие нити за счет своей высокой проводимости и малого веса могут выступать в качестве альтернативы даже тяжелых металлических проводов, стать основой для изготовления сверхпрочных материалов и использования их в производстве препрегов, тканей, тросов и кабелей, в т.ч. электропроводных и в производстве композитных баллонов высокого давления.

Проводящие ток углеродные нанотрубки могут выдерживать плотность тока в 102–103 раза выше, чем обычные металлы.

Так, плотность тока в нанотрубках может в 1000 раз превышать максимально допустимую плотность для медного провода (выше которой медный провод взрывается).

Углеродные нанотрубки полупроводникового типа позволяют создавать полевые транзисторы.

Гибкая углеродная бумага

Гибкая углеродная бумага из углеродных нанотрубок представляют собой прочные, гибкие, легкие и тонкие листы абсолютно черного цвета, которые состоят только из углеродных нанотрубок, спрессованных без применения дополнительных связующих. Благодаря соотношению таких характеристик, как гибкость, прочность и малый вес, гибкие углеродные бумаги могут быть использованы в качестве накопителей электрической энергии для автомобильной и авиационной промышленности, бытовых электроприборов. Также перспективным является применение таких материалов в качестве механически прочных покрытий, теплоотводящих, влагостойких покрытий, а также покрытий, стойких в химически агрессивных средах.

Изотропные наноуглепластики

Изотропные наноуглепластики — это нанокомпозиты, состоящие из хаотически распределенных частиц углеродного наполнителя в полимерной матрице. Наноуглепластики способны принимать сложную и необычную форму, сохраняя при этом жёсткость, прочность и малый вес. Углепластики с углеродными нанотрубками в сравнении с обычными углепластиками имеют более высокую прочность, меньший вес, резко повышается теплопроводность, что открывает перспективы для использования этих материалов в судостроении, автомобилестроении, бытовой технике, в производстве строительных частей и других компонентов, имеющих сложные геометрические формы.

Ткани

Ткани на основе углеродного волокна и нанотрубок представляют собой высокотехнологичный текстиль с превосходными эксплуатационными качествами. Имеют более высокие показатели прочности на растяжение, чем углеродные ткани — около 4-5 ГПа^*, устойчивы к воздействию большинства химически агрессивных реагентов, позволяют достигнуть высоких механических свойств в пластике и создавать изделия со сложной геометрией. Использование тканей на основе углеродных нанотрубок позволяет увеличить прочность изделий.

^* Мультиаксиальная углеродная ткань 12К-1270-610 (0/+45/-45)°.

Композитная углерод-пластиковая нить

Композитная углерод-пластиковая нить на основе углеродных нанотрубок представляет собой легкую, высокопрочную нить с более низкой степенью износа и высокими значениями теплопроводности (порядка 15 Вт/м×К)^*. Применение таких углерод-пластиковых нитей перспективно для производства препрегов, тканей, тросов и кабелей, в том числе пожаробезопасных и электропроводных, производство композитных баллонов высокого давления.

Так, для хранения и транспортировки сжатых газов: воздуха, кислорода, азота, ацетилена и др., — используются баллоны под давлением 16-20 МПа, которые изготовлены из цельнотянутых бесшовных труб. Современные композитные баллоны высокого давления имеют внешнюю силовую оболочку из углеродного волокна, намотанного на поверхность оболочки и пропитанного связующим. Внешнюю силовую оболочку композитных баллонов высокого давления можно усилить углеродными нанотрубками, что сделает стенки баллона чрезвычайно упругими и более прочными.

^* S.V. Reznik, P.V. Prosuntsov, V.S. Railyan, A.V. Shulyakovsky, Method and results of investigations of thermophysical properties of carbonpolymer composites with full-scale samples of beam space structures // Proc. 2nd Int. Symp. on Inverse Problems, Design and Optimization (April 16–18, 2007, Miami, Florida, U.S.A.). – P. 657 – 660. 4.

Электропроводящие и теплоотводящие элементы

Высокие показатели электропроводности углеродных нанотрубок открывают широкие перспективы для использования их в электропроводящих элементах: электропроводность УНТ находится в пределах величины электропроводности металлических проводников, но благодаря низкой плотности (<2 г на см³) их удельная проводимость соответствует или превосходит удельную проводимость многих металлов (алюминий, медь и др). Также вес является значительным драйвером стоимости для аэрокосмической промышленности, что принесет пользу в виде легких проводов и кабелей УНТ даже за счет повышения сопротивления. Провода, используемые в судостроении, подвергаются прямому воздействию морской воды, что делает химическую инертность критическим параметром для долгосрочного использования.

Теплопроводность углеродных нанотрубок может достигать 759 Вт/м×К, что гораздо выше теплопроводности меди: 385 Вт/м×К и алюминия: 247 Вт/м×К^*. Это позволяет обеспечить гораздо более эффективный отвод тепла по сравнению с применяемыми в настоящее время материалами в электронике, двигателестроении и др. Радиаторы из нанотрубок могут обеспечить гораздо более эффективный отвод тепла от мощных чипов по сравнению с применяемыми.

^* Dawid Janasa, Krzysztof K. Koziol, Carbon nanotube fibers and films: synthesis, applications and perspectives of the direct-spinning method/ Nanoscale, p 25 DOI: 10.1039/C6NR07549E.

Композиты углерод-углерод

Композиты углерод-углерод — это материалы на основе углеродной матрицы и углеродных наполнителей. В качестве углеродной матрицы обычно выступают пироуглерод, коксовые остатки термореактивных смол или нефтяного пека. В качестве углеродного армирующего элемента применяют дискретные волокна, непрерывные нити или жгуты, войлоки, ленты, ткани с плоским и объемным плетением, объемные каркасные структуры. Композиты углерод-углерод обладают малой плотностью (1,3 — 2,1 г/см³)^*; высокой теплоемкостью, сопротивлением тепловому удару, эрозии и облучению; низкими коэффициентами трения и линейного расширения; высокой коррозионной стойкостью; широким диапазоном электрических свойств (от проводников до полупроводников); высокими прочностью и жесткостью. Такой широкий диапазон свойств углерод-углеродных композитов позволяет использовать их в радио-космической и авиационной технике: в качестве тормозных дисков, соплах ракетных двигателей, защитных накладках крыльев, труб высокого давления, для подшипников скольжения, уплотнений и др.

Высокая прочность (до 5,5 ГПа)^** и стойкость к воздействию высоких температур, а также стойкость к вибрационным нагрузкам и малый удельный вес углеродных нанотрубок позволяет использовать их в композитных углерод-углерод материалах. Композитные материалы углерод-углерод с нанотрубками можно широко использовать в радио-космической и авиационной технике. Они улучшат функциональные характеристики летательных аппаратов, позволят снизить вес конечного изделия и благодаря этому уменьшить эксплуатационные затраты и расход топлива.

^* LALIT M MANOCHA (24 April 2003), High performance carbon—carbon composites, Sadhana. 28: 349–358.; Carbon-Carbon Composite — Material Information.

^** Dawid Janasa, Krzysztof K. Koziol, Carbon nanotube fibers and films: synthesis, applications and perspectives of the direct-spinning method/ Nanoscale, p 25 DOI: 10.1039/C6NR07549E.

Электроды

Углеродные нанотрубки обладают высокой удельной поверхностью (50-1300 м²/г)^*, электропроводностью (1,06-2,24×104 S/cm)^**, химической устойчивостью, а идеальное соотношение характеристик нанотрубок — гибкость/прочность/масса, позволяет на их основе создать сверхпрочные гибкие и легкие органические пленки.

Комбинация перечисленных свойств углеродных нанотрубок делает их привлекательными для применения в электродах электрохимических конденсаторов в качестве накопителей электрической энергии для автомобильной и авиационной промышленности, бытовых электроприборов.

Традиционным электродным материалом суперконденсатора является активированный уголь, электрохимическая ёмкость которого составляет ~30 Ф/г. Удельная электрохимическая емкость суперконденсаторов из массивов ориентированных углеродных нанотрубок в водных электролитах составляет 100–120 Ф/г^***, тогда как емкость композитов на основе углеродных нанотрубок может достигать 500–700 Ф/г, также они выдерживают большое число циклов перезарядки.

^* Cor Koning, Marie-Claire Hermant, Nadia Grossiord, «Polymer Carbon Nanotube Composites: The Polymer Latex Concept», p. 80

^** Dawid Janasa, Krzysztof K. Koziol, Carbon nanotube fibers and films: synthesis, applications and perspectives of the direct-spinning method/ Nanoscale, p 25 DOI: 10.1039/C6NR07549E

^*** А. В. Окотруб, П. С. Галкин «СДЕЛАНО В СО РАН» Институт неорганической химии СО РАН, Новости науки.

Электропроводящие и теплоотводящие элементы

Высокие показатели электропроводности углеродных нанотрубок открывают широкие перспективы для использования их в электропроводящих элементах: электропроводность УНТ находится в пределах величины электропроводности металлических проводников, но благодаря низкой плотности (<2 г на см³) их удельная проводимость соответствует или превосходит удельную проводимость многих металлов (алюминий, медь и др). Также вес является значительным драйвером стоимости для аэрокосмической промышленности, что принесет пользу в виде легких проводов и кабелей УНТ даже за счет повышения сопротивления. Провода, используемые в судостроении, подвергаются прямому воздействию морской воды, что делает химическую инертность критическим параметром для долгосрочного использования.

Теплопроводность углеродных нанотрубок может достигать 759 Вт/м×К, что гораздо выше теплопроводности меди: 385 Вт/м×К и алюминия: 247 Вт/м×К^*. Это позволяет обеспечить гораздо более эффективный отвод тепла по сравнению с применяемыми в настоящее время материалами в электронике, двигателестроении и др. Радиаторы из нанотрубок могут обеспечить гораздо более эффективный отвод тепла от мощных чипов по сравнению с применяемыми.

^* Dawid Janasa, Krzysztof K. Koziol, Carbon nanotube fibers and films: synthesis, applications and perspectives of the direct-spinning method/ Nanoscale, p 25 DOI: 10.1039/C6NR07549E.