Во время научно-технологической программы «Большие вызовы» в «Сириусе» участники направления «Новые материалы» под руководством ученых кафедры наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А.И. Меоса СПбГУПТД Натальи Лукичевой, Ольги Гладуновой и Вадима Марценюка изучали, как повысить характеристики композиционных материалов с помощью добавления наночастиц с полезными свойствами. Школьники провели эксперимент по модификации материала, состоящего из углеволокна и эпоксидной смолы, наночастицами графена. Этот композит обладает высокой прочностью, твердостью и легкостью, благодаря чему его можно использовать во многих отраслях, особенно в судостроении и космической сфере.
Существующие искусственные и синтетические материалы не всегда соответствуют потребностям, которые выдвигает современная промышленность. Именно поэтому перед учеными СПбГУПТД стоит цель – создавать новые и модифицировать уже существующие, комплексно улучшая их свойства. Решить эту задачу можно за счет введения в состав композита модифицирующих добавок.
Одна из команд программы вместе с наставниками из Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна (СПбГУПТД) работала над образцами углепластика, состоящего из углеродных волокон и эпоксидной смолы, которую модифицировали графеном. Он был получен учеными лишь в 2004 году. Проведенные испытания выявили его феноменальную прочность, что и предопределило повышенный интерес к данному материалу со стороны исследователей в последние два десятилетия.
Участники проекта выдвинули гипотезу, что если непрерывноармированный углекомпозит модифицировать наночастицами графена, можно получить материал с более высокой прочностью. Улучшенные свойства позволят сократить количество армирующих слоев в композите при изготовлении изделия и снизить вес будущей конструкции без потери качества.
«Композиционные материалы состоят из нескольких компонентов с различными физическими и химическими свойствами. В зависимости от их комбинаций мы можем получать разные нужные нам характеристики в материале. В рамках этого проекта мы предложили школьникам поэкспериментировать с добавлением наночастиц графена. Основа нашего материала – углеволокно, которое само по себе прочное. Смола скрепляет компоненты композита, образуя его матрицу. Но как самостоятельная единица она довольно хрупкая. Ее свойства можно улучшить, если предварительно модифицировать прочным и легким графеном. Это даст нам возможность создавать прочные материалы без утяжеления всей конструкции», – рассказывает один из руководителей, старший преподаватель кафедры наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А.И. Меоса СПбГУПТД Наталья Лукичева.
Работа над проектом состояла из нескольких этапов. Сперва ребята исследовали варианты химической и физической подготовки графенов для их последующего введения в связующее – полимерную смолу. Подбирали режимы и технологии введения, изучали изменение свойств полимерной матрицы после наномодификации. После подбора оптимального варианта путем ручной выкладки было изготовлено несколько образцов. Часть из них была подвергнута испытаниям для определения разрывной прочности. А часть исследована на хемо- и водостойкость, также изучена адгезия модифицированного полимерного связующего к углеродным волокнам, в том числе с помощью электронного микроскопа. Проведенные эксперименты показали, что модифицированная смола демонстрирует лучшую адгезию, и добавление графенов в количестве всего 1,0–1,5% повышает прочность на разрыв и твердость полимерной матрицы примерно на 20%.
«За время работы над проектом мы изучили две наиболее распространенные технологии производства изделий из композитов – это ручное формование и технологию литья. Мы узнали, как определять хемостойкость матрицы к растворителям. Поняли, что добавление графенов не изменяет гидро- и лиофобность. Узнали, как определять адгезию и вязкость материала. В рамках этого проекта мы работали с различным оборудованием, познакомились с многочисленными лабораторными и аналитическими методами анализа. Это очень большая исследовательская и вместе с тем практико-ориентированная работа», – рассказывает один из участников проекта, школьник из Ростова-на-Дону Никита Нестеров.
На фестивале участники проекта представили изготовленные образцы наномодифицированных композиционных материалов, а также рассказали гостям о потенциальных сферах их применения. Кроме того, школьники подготовили технико-экономическую оценку проекта и оформили результаты исследования физико-механических и химических свойств изготовленных углекомпозитов.