Обладая невероятной легкостью, жесткостью и прочностью, углеродное волокно имеет много преимуществ, но даже у самых мечтательных материалов есть свои недостатки. Ученые пытались решить проблему склонности углеродного волокна к горению при высоких температурах, и международная группа исследователей нашла недорогое и масштабируемое решение этой проблемы в виде защитного покрытия, которое само формируется в расплаве соли.
По некоторым параметрам углеродное волокно уже обладает высокой термостойкостью и способно оставаться стабильным на воздухе при температуре до 800°C. Это делает его очень подходящим для всех видов применения, от велосипедных рам до автомобилей, медицинского оборудования и даже гитар. Однако проблемы могут возникнуть в случае воздействия экстремальных температур, например, в аэрокосмической промышленности. В таких условиях оно вступает в реакцию с кислородом и горит, в результате чего его структура и, в свою очередь, его желательные качества быстро разрушаются.
«Одним из недостатков углеродных волокон является то, что они легко сгорают при достаточно высоких температурах и наличии кислорода», - говорит Юнфэн Лу, возглавлявший группу исследователей из Университета Небраски-Линкольна и Французского института химии конденсированных состояний в Бордо. «Если бы мы могли сделать их негорючими, чтобы они не горели при воздействии огня, это было бы здорово».
Ученые и раньше занимались разработкой более огнестойких форм углеродного волокна, но для этого требовалось использование дорогостоящего оборудования, сложных многоступенчатых процессов и непредсказуемых химических реакций. В прошлом году также были многообещающие исследования, в которых использовалось вещество растительного происхождения, чтобы предотвратить возгорание материала, а также облегчить его вторичную переработку. Авторы этого нового исследования придумали простое и дешевое решение, которое начинается с расплавленной соли.
Этот процесс происходит при 982°C, и после того, как кристаллы соли превращаются в жидкость, в смесь добавляются порошки титана и хрома, прежде чем в качестве последнего штриха будут добавлены углеродные волокна. Это вызывает химическую реакцию, которая приводит к защитному покрытию с тремя отдельными слоями из-за различного поведения и реакций материалов в расплавленной солевой смеси.
На графике показано новое тройное покрытие для углеродных волокон, состоящее из карбида хрома и карбида титана. Фото: University of Nebraska–Lincoln
«Мы нашли рецепт, по которому можно сформировать три слоя в одном состоянии», - говорит Лу. «Одним окунанием мы можем получить три слоя покрытия».
Характеристики были оценены в ходе экспериментов, в которых углеродные волокна с покрытием подвергались воздействию экстремальных условий, включая температуру около 1200°C и кислородно-ацетиленовую горелку, при этом углеродные волокна успешно сохраняли свою структуру. Было обнаружено, что тройное покрытие, состоящее из карбида хрома и карбида титана, обеспечивает большую защиту, чем однослойное.
«Мы попытались добавить поверхностные слои, которые могут отделить углеродные волокна от кислорода, чтобы даже при высоких температурах они не сгорели», - говорит Лу. «Углеродные волокна можно использовать по-разному - в тканях и в частях зданий, самолетов, электронного оборудования - но если они легковоспламеняющиеся, это создает новый риск для системы и сильно ограничивает эти области применения».
Ученые описывают свой новый процесс как быстрый и чистый, поэтому он хорошо подходит для промышленного использования. Работая над достижением этой цели, они намерены выяснить, насколько огнестойки углеродные волокна с покрытием по сравнению с обычными и как долго они сохраняют свою структуру и свойства в экстремальных условиях.
Исследование было опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Источник: New Atlas / University of Nebraska–Lincoln
