Перспективы использования нанотрубок при разработке новых материалов

В настоящее время считается, что наиболее прочным среди существующих материалов являются углеродные фуллереновые нанотрубки. Их прочность при растяжении превосходит остальные самые прочные материалы примерно в 100 раз. Кроме того, эти трубки обладают интересным комплексом физических характеристик, которые в настоящее время интенсивно изучаются. В частности, нанотрубки могут обладать достаточно высокой электропроводностью. Поэтому во всем мире предпринимаются попытки использовать нанотрубки в качестве армирующего компонента при создании материалов для канатов и тросов, обеспечивающих работу проектируемых конструкций.
ОАО «Концерн радиостроения «ВЕГА» совместно со специалистами Всероссийского института авиационных материалов (ВИАМ) проводит работы по созданию новых конструкционных материалов с использованием нанотехнологий. Все эти исследования объединены единой системой компьютерной обработки и описания результатов, а также математического моделирования структуры. Разработанный комплекс методик позволил начать формирование каталога рентгенограмм фуллеренов, нанотрубок, квазикристаллов, наноглин и других наночастиц. Исследовательский комплекс, включающий термоаналитический, рентгеноструктурный, резистометрический, теплофизический анализ, оптическую, электронную просвечивающую и растровую микроскопию, локальный энергодисперсионный анализ, дает возможность изучать распределение наночастиц, нанотрубок, нановолокон и функциональных групп в объеме композита, а также взаимодействие наночастиц с матрицами различной природы и их влияние на формирование структуры материала. Разработка новых материалов и технологий проводится при непосредственном участии структурных исследований и теоретическом обобщении полученных результатов. Это обеспечивает понимание природы протекающих процессов и гарантирует целенаправленный поиск путей решения задач.
Анализ первых результатов, полученных с помощью разработанных методов исследования, позволил предложить, в качестве гипотезы, принцип подбора составляющих композиционных материалов на основе критерия локального изоморфизма фаз. Напомним, что локально-изоморфными называются вещества, рентгенограммы которых содержат общую систему рентгеновских линий. Этот критерий должен обеспечивать целенаправленный отбор наиболее оптимальных компонентов будущих материалов. Видно, что рентгенограмма многослойных нанотрубок (рис. 1, а) и рентгенограмма мономера, который используется для привития к нанотрубкам функциональной группы (рис. 1, b), содержат общую систему рентгеновских линий, то есть эти два материала являются локально изоморфными. Общая система рентгеновских линий указывает на наличие в этих двух материалах карбиновых связей. В ходе привития функциональных связей к нанотрубкам мономер превращается в полимер, при этом карбиновые связи значительно усиливаются (рис. 1, c). Такая обработка нанотрубок обеспечивает возможность их введения в связующие до 2 весовых процентов. Нанотрубки без функциональных связей можно ввести в связующие до 0,1 весового процента.
РАЗРАБОТКА ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ, АРМИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫМИ ВОЛОКНАМИ, В ТОМ ЧИСЛЕ ГЛЕРОДНЫМИ ФУЛЛЕРЕНОВЫМИ НАНОТРУБКАМИ
Начата разработка нового класса композиционных материалов, армированных углеродными волокнами с фуллероидным строением. Исследования методом просвечивающей электронной микроскопии показали, что структура этих волокон представляет смесь аморфной и фуллероидной составляющих. Видно, что волокна состоят из субволокон (фибрилл), вытянутых вдоль оси волокна. Толщина фибрилл порядка 150 нм.
На электронограмме этого участка образца видны диффузные кольца аморфного углерода и дифракционные максимумы, ориентированные вдоль оси фибрилл. Сравнение этих максимумов с электронограммами, полученными от многослойных фуллереновых нанотрубок, показывает их идентичность. Таким образом, существование подобных дифракционных максимумов указывает на наличие в волокнах фрагментов с фуллероидным строением. Темнопольный снимок, сделанный в фуллероидном диффузном максимуме, показывает, что все тело фибрилла пронизано цепочками и спиралями, состоящими из мелких частиц. Размеры частиц составляют ~ 3–5 нм. Кроме того, на аморфных дифракционных кольцах видны отдельные рефлексы кристаллического углерода.
Проведенные расчеты показывают, что существует принципиальная возможность получить композиционный материал с пределом прочности на растяжение порядка 6–7 тонн/мм2.