Высокопрочное углеродное волокно в воде не тонет и в огне не горит

В течение последних 50 лет производители считали углеродное волокно материалом мечты. Его  волокна тоньше, чем прядь человеческого волоса, их можно скрутить вместе и сплавить с матричным материалом, чтобы сформировать легкий композит, который в два раза прочнее стали. Он имеет широкое применение от авиации и космонавтики до автомобилей, зданий, медицинских устройств и спортивного оборудования.

Но у углеродного волокна есть значительный недостаток - при экстремально высоких температурах, которые обычно встречаются в аэрокосмической отрасли, углеродное волокно окисляется, т. е. вступает в реакцию с кислородом, присутствующим в воздухе, и горит как дерево. Таким образом окисление значительно ухудшает свойства углеродного волокна, особенно его прочность. Свойство легкого воспламенения при высоких температурах значительно ограничивает область применения углеродного волокна.

 Исследователи из Университета Небраски-Линкольна и Института химии конденсированных сред в Бордо во Франции разработали недорогой масштабируемый метод защиты углеродного волокна от окисления. Новый процесс простой и доступный для серийного использования.

Ученым удалось добавить особые поверхностные слои, которые могут отделить углеродные волокна от кислорода, чтобы даже при высоких температурах они не сгорели.

Чтобы устранить возгораемость, команда исследователей разработала простой одностадийный процесс, который начинается с плавления соли, которая по химическому составу очень похожа на поваренную соль. После того, как кристаллы соли станут жидкостью, добавляют порошки титана и хрома, которые способны выдерживать высокие температуры. Затем к смеси добавляются углеродные волокна.

Вследствие этого образуется трехслойное покрытие из карбида хрома и карбида титана, которое служит барьером против окисления. Покрытие является многослойным, поскольку каждый слой из титана и хрома обладают разными свойствами и скоростью реакции в расплаве соли, что приводит к различным слоям защиты конечного продукта. Это многослойное покрытие обеспечивает дополнительную гарантируемую защиту по сравнению с однослойным.

Когда исследователи оценили свойства углеродных волокон с покрытием при экстремальных температурах, они обнаружили, что углеродный материал стабильно сохраняет свою структуру даже при 1200 ºС.

Следующим шагом ученых будет исследование по определению, как долго смогут сохранять свои наиболее важные качества в экстремальных условиях волокна с покрытием по сравнению с их незащищенными аналогами.

Данные исследования по разработке методов защиты углеродных волокон от окисления не первые, но в случае успеха при дальнейших испытаниях, именно этот подход будет первым, который можно будет реализовать при серийном производстве.

Предыдущие разработки предполагали методы химического осаждения из паровой фазы, которые требовали применения дорогостоящего оборудования и нескольких этапов химических реакций со сложным контролем.