Области применения углеродных нанотрубок и нановолокон

Композиты

Многообразие углеродных нанотрубок и нановолокон, широкий диапазон их свойств и почти неограниченные возможности модифицирования позволяют говорить о них как об основе принципиально нового поколения материалов. Наиболее представительными обещают стать композиты с нанотрубками.

Интерес к композитам обусловлен тремя основными причинами: высокими электропроводностью, теплопроводностью и прочностью ОУНТ и МУНТ с малым числом слоев. Описаны композиты на основе полимеров, керамики, металлов и сплавов, однако наибольшее внимание уделяется полимерам (см. разд. 5.5). В настоящее время созданы композиты на основе термопластов и термоусадочных полимеров. Введение УНТ или УНВ придает полимерам функциональные свойства. Для авиации и космической техники особое значение имеют легковесные композиты.

При создании электропроводных композитов с диэлектрической матрицей и электропроводным наполнителем имеют значение три фактора: собственная проводимость частиц наполнителя, количество введенного наполнителя, форма частиц наполнителя. При введении электропроводных частиц одного и того же вещества проводимость композита (или его сопротивление) меняется в зависимости от количества введенного наполнителя примерно так, как показано на рис. 125. Ниже определенной концентрации добавок проводимость не меняется. Лишь при достижении концентрации, отвечающей порогу перколяции (для изометричных частиц металлов он близок к 30%), когда хотя бы часть зерен наполнителя оказывается соединенной в непрерывные цепочки или сети, проводимость начинает довольно резко увеличиваться. Нитевидные частицы образуют электропроводные сети при гораздо меньших концентрациях и значительно снижают порог перколяции. Однако ОУНТ и МУНТ, имеющие разное отношение длины к диаметру и разную плотность, отнесенную к единице длины, ведут себя по-разному (рис. 126).

При использовании матрицы из эпоксидной смолы и ОУНТ порог перколяции снижается до 0,1–0,2%, что в 10 раз ниже, чем при введении углеродных волокон диаметром 200 нм. Еще более значительно в этом отношении УНТ, у которых длина превышает диаметр в 1000 и более раз, превосходят обычно применяемую сажу (технический углерод). Большие добавки сажи (до 50% по объему) к тому же заметно снижают механическую прочность композитов, в то время как небольшие добавки НТ увеличивают прочность.

Композиты на основе пластиков с наполнителями из НТ могут применяться для снятия электростатических зарядов и защиты от электромагнитного излучения.

Установлено, что для получения композитов, не накапливающих статическое электричество, в полимеры необходимо ввести всего 0,03–0,04 мас.% ОУНТ или 1–3 мас.% МУНТ диаметром 10–12 нм, 7–9 мас.% углеродных волокон и 12–15 мас.% сажи. Электропроводные композиты необходимы, например, для изготовления шлангов и трубок, по которым подаются горючие газы или жидкости. Здесь нанотрубки далеко превосходят наполнители из частиц металлов и пока не имеют конкурентов среди материалов для бытовой электронной техники.

Тонкие полимерные пленки с ОУНТ хорошо проявили себя в космосе (покрытия антенн, оптики, зеркал). В США особое значение придают созданию кузовов и деталей автомобилей из электропроводных композитов на основе полимеров. Электропроводность в этом случае необходима для того, чтобы окрашивание кузовов проводить наиболее эффективным и экологичным электростатическим методом (с использованием заряженных капелек краски).

Благодаря высокой теплопроводности УНТ многие композиты отличаются повышенной теплостойкостью по сравнению с исходными полимерами и меньшей склонностью к возгоранию.

Так, МУНТ и наночастицы глины при введении этилен-винилацетат в количестве по 2,4 мас.% проявляют своеобразный синергетный эффект и снижают пиковую мощность выделения тепла с 580 кВт/м² без добавок до 370 кВт/м² (введение 4,8% глины снижает мощность до 470 кВт/м²).

Введение нанотрубок в полимеры позволяет создавать новые классы композитов конструкционного назначения.

Например, твердость по Виккерсу при введении 2% ОУНТ увеличивается в 3,5 раза, а коэффициент теплопроводности при введении 1% ОУНТ удваивается. Добавки 1% трубок повышают модуль упругости полистирола и прочность на разрыв соответственно на 42 и 25%.

Композиты с УНТ и УНВ могут служить средством защиты от электромагнитного излучения с высокой эффективностью (однократное и множественное отражение волн). Из композитов с УНТ можно создавать антирадарные покрытия. На основе термопластичных эластомеров созданы композиты, содержащие до 30 мас.% УНТ и обладающие памятью формы.

Заполнение фотоактивных полимеров (например, поли-п-фениленвинилена) УНТ с определенными характеристиками позволяет создавать функциональные композиты с фотолюминесцентными и электролюминесцентными свойствами. Введение УНТ в поли-м-фениленвинилен-ко-2,5-диоктокси-п-фениленвинилен увеличивает его электропроводность почти на 8 порядков и мало сказывается на фотолюминесцентных и электролюминесцентных свойствах полимера.

При введении ОУНТ в прозрачные полимеры получаются материалы, способные заменить единственный прозрачный электропроводный композит из оксидов индия и олова. Высокая технологичность новых материалов обусловлена тем, что они гибки, в то время как оксиды отличаются хрупкостью.

Перспективны композиты медицинского назначения.

Интересные свойства проявили композиты на основе эпоксидной смолы с МУНТ. Оказалось, что по амортизирующему действию они в 15 раз превосходят саму смолу. Модуль потерь (Loss modulus), определяющий общее количество рассеиваемой энергии в цикле, у композита на два порядка превышает значения для традиционных вязкоэластичных полимеров.

Композиты с МУНТ в виде уплотнительных колец в конструкции автомобилей проявили значительно лучшие свойства, чем композиты с техническим углеродом.

Следует указать на некоторые противоречивые тенденции при создании композитов с УНТ: их прочность увеличивается при параллельной укладке трубок, в то время как более высокие и однородные по всем направлениям значения электро- и теплопроводности достигаются при хаотичной укладке.

Введение стабилизированных дисперсий УНТ в органических растворах полимеров (например, полиметилметакрилата) в воду позволяет добиться однородного распределения трубок в композите.

Разработан метод нанесения композитной пленки, содержащей полимеры и НТ, на различные подложки с помощью лазерной абляции мишени соответствующего состава.

Введение УНТ в никелевое электролитическое покрытие на нержавеющей стали значительно увеличивает его коррозионную устойчивость.

Композиты на основе Al₂O₃ с 15 об.% ОУНТ имеют проводимость, превышающую свойственную матрице на 13 порядков величины. В то же время создать композиты на керамической основе, в которых УНТ проявили бы свои прочностные характеристики, долгое время не удавалось. Лишь в 2003 г. методом плазменно-искрового спекания были получены композиты на основе Al₂O₃, содержащие 10 об.% ОУНТ и имеющие трещиностойкость (коэффициент интенсивности напряжений) 9,7 МПа·м^0,5, что значительно выше показателей для матрицы (3,7 МПа·м^0,5).