Російські вчені запропонували спосіб, який допоможе зробити прорив у вугіллі-металевих композитах-перспективних багатошарових матеріалах для авіакосмічної галузі. Одна з головних проблем в цій області-хімічна взаємодія між шарами, яке негативно впливає на властивості матеріалів. Щоб впоратися з нею, фізики вперше застосували метод електрохімічного осадження бар’єрних оксидних покриттів. Згодом це забезпечить менші втрати міцності і більш якісну структуру композитів. Результати дослідження, підтриманого грантом президентської програми російського наукового фонду (рнф), опубліковані в журналі materials.
Композити з металевою матрицею і вуглецевим волокном використовуються при створенні космічних кораблів і літаків. Але компоненти таких матеріалів хімічно взаємодіють між собою, через що поверхня волокна деградує, і міцність матеріалу знижується. Тому вчені створюють бар’єр між шарами за допомогою оксидних покриттів.
Один з найбільш перспективних способів їх нанесення — це золь-гель метод. Вуглецеву основу спочатку занурюють в розчин, який утворює тонку плівку гелю на її поверхні, а потім повільно витягують і сушать. Цей спосіб добре відпрацьований і має промислове застосування, проте він підходить лише для підкладок простої форми і практично не може використовуватися для нанесення покриттів на вуглецеве волокно, яке має складну рельєфну поверхню.
Нещодавно російські вчені вперше застосували комбінований метод, що поєднує в собі електрохімічне нанесення покриттів і золь-гель процес. Він дозволяє формувати на підкладці тонкий шар гелю не за рахунок висихання «плівки», а в результаті електрохімічної реакції, завдяки чому можна наносити покриття на поверхні будь-якої форми. На останньому етапі будь-якого золь-гель методу проводиться термічна обробка, в процесі якої з зразка видаляється волога і органічні залишки. При цьому вплив умов в печі на склад і структуру одержуваних покриттів залишалося не ясним.
Вчені ізінституту фізики твердого тіла імені ю.а. Осип’яна ран (черноголовка), московського фізико-технічного інституту (москва) та інституту експериментальної мінералогії ран (черноголовка) провели серію експериментів, які дозволили визначити, як впливає на кінцевий продукт температура. Саме покриття складалося з аморфного діоксиду кремнію і кристалічного карбонату калію.
Виявилося, що нагрівання щонайменше до 570°с не впливає на структуру і шорсткість покриття; при збільшенні температури до 870°с покриття ставало більш гладким і однорідним, але нагрів вище 1170°с приводив до порушення структури. Далі вчені оцінили вплив кожного з етапів нанесення покриття на міцність вуглецевого волокна. З’ясувалося, що вся процедура нанесення електрохімічним золь-гель методом хоча і знизила міцність вуглецевих волокон, але не так сильно, какдругие популярні методи. Так, після термообробки при температурі 870°с волокно з покриттям втратило всього 11% міцності, що виявилося найкращим результатом. Для порівняння, при нанесенні аналогічних покриттів іншими методами втрата міцності волокна становить від 19 до 40%.
«оксидні покриття вуглецевого волокна, виготовлені за нашою технологією, дозволять створювати вугле-металеві композити нового покоління, що безумовно стане новим кроком у конструюванні перспективних літальних апаратів», — розповідає сергій галишев, керівник проекту по гранту рнф, кандидат технічних наук, науковий співробітник іфтт ран.
Цією роботою вже зацікавилися представники найбільшого вітчизняного виробника вуглецевого волокна, розглядається можливість промислового застосування розроблюваного методу.
Малюнок. Структура вуглецевих волокон з оксидним покриттям (а) без термообробки, (b) після нагрівання до 570°с, (с) після нагрівання до 870°с, (d) після нагрівання до 1170°с.
22.09.2021
