Новая пленка из нанотрубок углерода превосходит по прочности кевлар и углеволокно

Пленка из нанотрубок углерода, разработанная группой китайских ученых, обладает сверхпрочностью, опережающей (например) кевлар и сулит большие перспективы сразу для многих отраслей практического применения.

Углеродные нанотрубки являются чрезвычайно прочными и эластичными. Чтобы воспользоваться этими свойствами, ученые давно пытаются изготовить из данного материала тонкие листы (пленку), которые могут быть использованы в качестве структурных покрытий для автомобилей, аэрокосмических деталей и элементов, для создания защитного покрытия военного обмундирования и спортивного инвентаря. До настоящего момента, реализация данных планов была затруднена сложностями в работе с данной категорией материалов. Однако, теперь ученые нашли новый и довольно простой способ получения пленочных структур на основе углеродных нанотрубок. Первые результаты проведенных изысканий (DOI:10.1021/acs.nanolett.5b03863) показали, что полученный материал в пять раз превышают по прочности имевшиеся ранее наработки в данном сегменте. Полученные пленки превышают по прочности кевлар и «обычные» углеродные волокна.

Структура новой пленки представляет из себя плотно упакованные нанотрубки, практически все из которых расположены параллельно друг другу. Это обстоятельство и придает итоговому материалу гигантскую прочность.

— Прокомментировал разработку профессор Цзянь Нонг Ванг из института механического и энергетического машиностроения в Восточно-китайском университете науки и технологии.

Следует отметить, что многие группы ученых пытались выровнять и структурировать нанотрубки в пленочном материале. Как правило, для этого использовалась технология фильтрации и распыления на подготовленную поверхность суспензии из нанотрубок. Особенности данного варианта заключались в использовании коротких нанотрубок, что не позволяло хорошо выровнять их структуру в итоговой композиции и, следовательно, не позволяло получить прочные материалы в итоге.

Новая технология, позволившая добиться успеха, чем-то схожа с технологией выдувания стекла. Ванг и его коллеги использовали поток газа азот. При его помощи ученые стали осуществлять введение этанола с небольшим количеством ферроцена и тиофена, добавленных в качестве катализаторов в специальные горизонтальные трубы, помещенные в печь с температурой в 1150-1130 °С. Труба представляет из себя полый цилиндр диаметром в 50 мм стенки которого покрыты выровненными углеродными нанотрубками, которые выходят из другого конца турки под воздействием этанольного раствора азотного газа.

Затем в дело вступает специализированный барабан, который уплотняет и сплющивает полученное вещество в двухслойную пленку черного цвета на основе углеродных нанотрубок.

Полученные пленки имеют среднюю прочность в 9,6 гигапаскалей. Для сравнения, прочность предыдущех пленок на основе данного материала не превышала отметки в 2 гПа, прочность кевлара – 3,7, а прочность углеволокна – 7 гПа. Полученная пленка является в 4 раза более податливым материалом, нежели углеродное волокно и может вытягиваться на 8% своего размера по сравнению с 2% у все того же углеволокна.

Помимо указанных преимуществ, профессор Ванг также отметил, что полученная под его руководством пленка обладает и высокой электропроводимостью, что делает ее потенциально востребованной при производстве таких изделий, как микроэлектроника и искусственные мышцы.

Следует отметить, что описанная разработка уже получила ряд положительных комментариев со стороны видных мировых экспертов и ученых, работающих в данной области.