Ячеистые нанокристаллы делают углеродно-волокнистые композиты более прочными

Полимеры, армированные ультратонкими прядями углеродных волокон, олицетворяют собой композиционные материалы, которые «легкие, как перышко, и прочные, как сталь», что позволяет им находить широкое применение в нескольких отраслях промышленности. Добавление материалов, называемых углеродными нанотрубками, может еще больше улучшить функциональность композитов. Но химические процессы, используемые для включения углеродных нанотрубок, в конечном итоге неравномерно распределяют их по композитам, ограничивая прочность и другие полезные качества, которые могут быть в конечном итоге достигнуты.

В новом исследовании ученые Техасского университета A&M использовали натуральный растительный продукт, называемый нанокристаллами целлюлозы, для равномерного прикрепления углеродных нанотрубок к композитам из углеродного волокна. Исследователи заявили, что их предписанный метод быстрее, чем традиционные методы, а также позволяет создавать композиты из углеродного волокна в наномасштабе.

Композиты строятся слоями. Например, полимерные композиты состоят из слоев волокна, такого как углеродные волокна или кевлар, и полимерной матрицы. Эта слоистая структура является источником слабости композитов. Любое повреждение слоев вызывает трещины — процесс, технически известный как расслоение.

Чтобы повысить прочность и придать композитам из углеродного волокна другие желаемые качества, такие как электрическая и теплопроводность, часто добавляют углеродные нанотрубки. Однако химические процессы, используемые для включения углеродных нанотрубок в эти композиты, часто вызывают слипание наночастиц, что снижает общую пользу от добавления этих частиц.

«Проблема с наночастицами аналогична тому, что происходит, когда вы добавляете молотый кофе грубого помола в молоко — порошок агломерируется или прилипает друг к другу», — сказал д-р Амир Асади, доцент кафедры инженерных технологий и промышленного распределения. «Чтобы в полной мере воспользоваться преимуществами углеродных нанотрубок, их необходимо сначала отделить друг от друга, а затем каким-то образом спроектировать так, чтобы они попадали в конкретное место в композите из углеродного волокна».

Чтобы облегчить равномерное распределение углеродных нанотрубок, Асади и его команда обратились к нанокристаллам целлюлозы, составу, который легко получить из переработанной древесной массы. Эти нанокристаллы имеют сегменты на своих молекулах, которые притягивают воду, и другие сегменты, которые отталкиваются водой. По словам Асади, эта уникальная молекулярная структура предлагает идеальное решение для создания композитов в наномасштабе.

Гидрофобная часть нанокристаллов целлюлозы связывается с углеродными волокнами и закрепляет их на полимерной матрице. С другой стороны, привлекательные для воды части нанокристаллов помогают равномерно диспергировать углеродные волокна, во многом подобно тому, как сахар, который является гидрофильным, растворяется в воде равномерно, а не слипается и оседает на дне чашки.

Для своих экспериментов исследователи использовали имеющуюся в продаже ткань из углеродного волокна. К этой ткани они добавили водный раствор нанокристаллов целлюлозы и углеродных нанотрубок, а затем применили сильную вибрацию, чтобы смешать все предметы вместе. Наконец, они оставили материал для высыхания и нанесли на него смолу, чтобы постепенно сформировать полимерный композит, покрытый углеродными нанотрубками.

Изучив образец композита с помощью электронной микроскопии, Асади и его команда обнаружили, что нанокристаллы целлюлозы прикрепляются к концам углеродных нанотрубок, ориентируя нанотрубки в одном направлении. Они также обнаружили, что нанокристаллы целлюлозы увеличивают сопротивление композита на изгиб на 33% и его межслойную прочность на 40%, основываясь на измерении механических свойств материала при экстремальной нагрузке.

«В этом исследовании мы использовали подход к созданию композитов в наномасштабе с использованием нанокристаллов целлюлозы. Этот метод позволил нам лучше контролировать свойства полимерных композитов, которые проявляются на макроуровне », — сказал Асади. «Мы думаем, что наша технология — это путь вперед в расширении масштабов обработки гибридных композитов, которые будут полезны для различных отраслей, включая авиастроение и автомобилестроение».

Источник

Метки: углерод