Версия для печати

Оксидные покрытия углеродного волокна помогут совершить прорыв в материалах для космических кораблей и беспилотников

Российские ученые предложили способ, который поможет совершить прорыв в угле-металлических композитах — перспективных многослойных материалах для авиакосмической отрасли. Одна из главных проблем в этой области — химическое взаимодействие между слоями, которое негативно влияет на свойства материалов. Чтобы справиться с ней, физики впервые применили метод электрохимического осаждения барьерных оксидных покрытий. Впоследствииэто обеспечит меньшие потери прочности и более качественную структурукомпозитов. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Materials.

Композиты с металлической матрицей и углеродным волокномиспользуются при создании космических кораблей и самолетов. Но компоненты таких материалов химически взаимодействуют между собой, из-за чего поверхность волокна деградирует, и прочность материала снижается. Поэтому ученые создают барьер между слоями с помощью оксидных покрытий.

Один из наиболее перспективных способових нанесения — это золь-гель метод. Углеродную основу сначала погружают в раствор, который образует тонкую пленку геля на ее поверхности, а затем медленно извлекают и сушат. Этот способ хорошо отработан и имеет промышленное применение, однако он подходит лишь для подложек простой формы и практически не может использоваться для нанесения покрытий на углеродное волокно, которое имеет сложную рельефную поверхность.

Недавно российские ученые впервые применили комбинированный метод, сочетающий в себе электрохимическое нанесение покрытий и золь-гель процесс. Он позволяет формировать на подложке тонкий слой геля не за счет высыхания «пленки», а в результате электрохимической реакции, благодаря чему можно наносить покрытия на поверхности любой формы. На последнем этапе любого золь-гель метода проводится термическая обработка, в процессе которой из образца удаляется влага и органические остатки. При этом влияние условий в печи на состав и структуру получаемых покрытий оставалось не ясным.

Ученые из Института физики твердого тела имени Ю. А. Осипьяна РАН (Черноголовка), Московского физико-технического института (Москва) и Института экспериментальной минералогии РАН (Черноголовка) провели серию экспериментов, которые позволили определить, как влияет на конечный продукт температура. Само покрытие состояло из аморфного диоксида кремния и кристаллического карбоната калия.

Оказалось, что нагрев по меньшей мере до 570°С не влияет на структуру и шероховатость покрытия; при увеличении температуры до 870°С покрытие становилось более гладким и однородным, но нагрев выше 1170°С приводил к нарушению структуры. Далее ученые оценили влияние каждого из этапов нанесения покрытия на прочность углеродного волокна. Выяснилось, что вся процедура нанесенияэлектрохимическим золь-гель методом хотя и снизила прочность углеродных волокон, но не так сильно, как другие популярные методы. Так, после термообработки при температуре 870°С волокно с покрытием потеряло всего 11% прочности, что оказалось наилучшим результатом. Для сравнения, при нанесении аналогичных покрытий другими методами потеря прочности волокна составляет от 19 до 40%.

«Оксидные покрытия углеродного волокна, изготовленные по нашей технологии, позволят создаватьугле-металлические композиты нового поколения, что безусловно станет новым шагом в конструировании перспективных летательных аппаратов», — рассказывает Сергей Галышев, руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат технических наук, научный сотрудник ИФТТ РАН.

Этой работой уже заинтересовались представители крупнейшего отечественного производителя углеродного волокна UMATEX Group, рассматривается возможность промышленного применения разрабатываемого метода.

Рисунок 1. Структура углеродных волокон с оксидным покрытием (а) без термообработки, (b) после нагрева до 570°С, (с) после нагрева до 870°С, (d) после нагрева до 1170°С.