Физики предложили новый способ производства угле-металлических композитов — перспективных многослойных материалов для авиакосмической отрасли. Одной из основных проблем является химическое взаимодействие между слоями, которое негативно влияет на свойства материалов. Для ее решения ученые применили метод электрохимического осаждения барьерных оксидных покрытий. Это обеспечит меньшие потери прочности и более качественную структуру композитов. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда, опубликованы в журнале Materials, передает официальный портал Года науки и технологий.
Композиты с металлической матрицей и углеродным волокном используются при создании космических кораблей и самолетов. Но в результате взаимодействия компонентов поверхность волокна деградирует, и прочность материала снижается. Чтобы этого избежать, ученые создают барьер между слоями с помощью оксидных покрытий.
Один из наиболее перспективных способов их 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 применяется в промышленности, однако он подходит лишь для подложек простой формы и практически не может использоваться для нанесения покрытий на углеродное волокно, имеющее 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. Тем не менее влияние условий в печи на состав и структуру получаемых покрытий оставалось неясным.
Ученые из Института физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН, Московского физико-технического института и Института экспериментальной минералогии РАН провели серию экспериментов, чтобы определить, как влияет на конечный продукт температура. Само покрытие состояло из аморфного диоксида кремния и кристаллического карбоната калия.
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. Российский научный фонд
Оказалось, что нагрев по меньшей мере до 570 °С не влияет на структуру и шероховатость покрытия; при увеличении температуры до 870 °С покрытие становится более гладким и однородным, а вот нагрев выше 1170 °С приводит к нарушению структуры. Далее ученые оценили влияние каждого из этапов нанесения покрытия на прочность углеродного волокна. Выяснилось, что вся процедура нанесения электрохимическим 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 создавать угле-металлические композиты нового поколения, что, безусловно, станет новым шагом в конструировании перспективных летательных аппаратов», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат технических наук, научный сотрудник ИФТТ РАН Сергей Галышев.
Работой уже заинтересовались представители крупнейшего отечественного производителя углеродного волокна UMATEX Group, рассматривается возможность промышленного применения разрабатываемого метода.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
