Шунгит — древнейшая ископаемая горная порода, почти на 100% состоящая из углерода. На ее основе ученые разработали технологию производства нового композитного материала. Добавление шунгита в пластичный полимер, которому легко придать нужную форму, превращает его в соединение с повышенной прочностью и термостойкостью. Материал применим в производстве сложной насосной техники для добычи нефти на рекордных глубинах и в самых суровых условиях, а также для создания нового поколения компонентов авиационных двигателей.
Новую технологию разработали специалисты Национального исследовательского технологического университета (НИТУ) «МИСИС» и Сколковского института науки и технологий.
Композиты с углеродными наполнителями массово востребованы в промышленности. Благодаря своим уникальным свойствам — высокой химической и температурной стойкости — они могут служить материалом для производства узлов и техники, работающих в экстремальных условиях. В отличие от тяжелых, тугоплавких металлов, которые подвержены окислению, углеродные материалы имеют исключительную высокотемпературную стойкость и малый вес. Диапазон углеродных материалов чрезвычайно широк, от алмаза до графита.
Материаловеды активно развивают новый класс композитов, состоящих из различных углеродных упрочняющих наполнителей в графитной матрице, полученной методом карбонизации — отжига полимера и его превращения в углеродный материал.
Ученые НИТУ «МИСИС» и Сколтеха представили технологию быстрого и экономичного производства подобного композита и выявили оптимальные параметры термической обработки, при которых материал достигает наилучших показателей по такому критерию, как трещиностойкость, т.е. сопротивляемость зарождению и распространению трещин, которая фактически определяет предел прочности для хрупких и квази-хрупких материалов.
Технологический процесс синтеза композита представляет собой приготовление «теста» из эластомера (мягкого полимера типа каучука), в которое примешана упрочняющая «начинка», и его «запекание» при нескольких температурах свыше 180ºC. Часто в качестве «начинки» применяется углеволокно. Однако оно довольно дорого, и объем его закупок ограничен.
Поэтому в новом материале короткие углеродные волокна были частично импортозамещены на шунгит, также известный как «аспидный камень». Шунгит — впервые найденная в России уникальная ископаемая докембрийская горная порода, почти на 100% состоящая из углерода.
Результатом этого процесса становится обогащение исходного продукта углеродом с одновременной перестройкой его структуры. Пластичный полимер, которому легко придать нужную форму, превращается в одно из стабильных углеродных соединений, таких как графит или алмаз, с повышенной прочностью и термостойкостью. Изготовить из графита или алмаза необходимую деталь механическими способами практически невозможно, учитывая уникальную жесткость этих материалов.
«Целью этого исследования была оптимизация процесса карбонизации с точки зрения повышения трещиностойкости образцов в зависимости от температуры обработки и состава исходной смеси, а именно от содержания углеродных упрочняющих фаз. Поэтому потребовалась тщательная подборка условий для получения наиболее высоких значений критического коэффициента интенсивности напряжений, которые были достигнуты у образцов, карбонизованных при максимальной температуре 280°С», — рассказал соавтор работы, заведующий кафедрой физической химии НИТУ «МИСИС», кандидат физико-математических наук Алексей Салимон.
По словам исследователей, полученный материал может применяться для изготовления ключевых деталей топливных ячеек (устройств для преобразования химической энергии топлива непосредственно в электрическую без сжигания), узлов химически стойкой аппаратуры, сложной насосной техники для добычи нефти на рекордных глубинах и в самых суровых условиях (песок, сероводород, температура свыше 200ºС). Еще одно перспективное направление — использование материала для создания нового поколения компонентов авиационных двигателей.
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России и Российского фонда содействия инновациям. Итоги работы представлены в одном из ведущих международных научных журналов.