Ученые «Росатома» разработали углеволокно с рекордной теплопроводностью. Из нового материала можно собирать гигантские космические конструкции и легкие самолеты. Разбираем «рецепт» разработки.
Космическая фантастика
Сложно вспомнить научно-фантастический фильм о космосе, в котором не было бы гигантского корабля для межпланетных перелетов. Для создания таких станций в реальности нужны специальные материалы: легкие и прочные. Чем легче будет конструкция корабля, тем дальше он сможет пролететь на ограниченном запасе топлива. Чем прочнее материал, тем лучше он будет справляться с перегрузками.
И главное, материал космических станций должен эффективно справляться с перепадами температуры: от холода в тени до нагрева под лучами Солнца. При этом внутри должна сохраняться стабильная температура.
Какой материал справится, когда с одной стороны -200 градусов Цельсия, а с другой –
+200 градусов? Ответ: сверхпрочное углеволокно с рекордной теплопроводностью и нулевым температурным расширением. Именно такой материал, не имеющий аналогов в России, разработали в Химико-технологическом кластере «Росатома».
«Рецепт» рекордного углеволокна
В основе разработки – мезофазные пеки, продукт угольной промышленности. Полный цикл производства состоит из нескольких этапов:
- Уголь очищают от летучих примесей и сажи.
- Очищенное сырье «плавят» без доступа воздуха в специальных емкостях до состояния смолы. Затем под вакуумом отгоняют летучие и низкомолекулярные фракции. Получается так называемый изотропный пек.
- При температуре от 300 до 500 градусов Цельсия под давлением молекулы внутри изотропного пека перестраиваются из хаотического состояния в более организованное.
- Материал переходит в состояние мезофазы — среднее между жидкостью и кристаллом. По сути, это жидкий кристалл. Так получается мезофазный пек.
5. Подготовленный мезофазный пек вытягивают в волокна.
- Полученное волокно подвергают термообработке, «закаляют», пропуская через несколько печей с экстремально высокими температурами: 3 000 градусов Цельсия. В материале активируются процессы графитации, когда слои кристаллической решетки углерода максимально ориентируются в плоскости, напоминая кристалл графита.
- Сверхпрочный материал готов!
Так получается материал с уникальными характеристиками по показателям модуля упругости и теплопроводности и коэффициенту термического расширения. Он очень хорошо проводит тепло и почти не расширяется от нагрева, выдерживая экстремальные перепады температур.
Характеристики нового углеволокна:
- Модуль упругости от 600 до 1000 ГПа.
- Коэффициент теплопроводности от 600 до 1100 Вт/(м·К), почти в три раза больше, чем у меди.
- Плотность — примерно в 1,8 больше плотности воды.
Насколько большие конструкции можно создавать из углеволокна «Росатома»?
Новое углеволокно — идеальная основа для каркаса гигантских солнечных батарей или огромных отражателей на орбитальных электростанциях. Из него можно создавать любые крупные, не деформирующиеся и размеростабильные конструкции, которые будут минимально изгибаться даже при сильных нагрузках.
По словам специалистов, из материала можно создавать даже конструкции в несколько сотен метров. Главной задачей конструктора будет рассчитать нагрузки на сложную архитектуру, поскольку возможности материала не будут его ограничивать.
Эпоха металлов в авиации уходит в прошлое?
В современных самолетах используется все больше композитных материалов, потому что они прочные и очень легкие. Новый материал тоже значительно превосходит традиционные сплавы. Он примерно в два раза легче конструкционного алюминия, гораздо прочнее и жестче: модуль упругости конструкционных алюминиев — до 100 ГПа, у перспективного углеволокна — до 1000 ГПа.
Где пригодится новый материал?
Новое углеволокно — крайне высокотехнологичный материал, поэтому сейчас целесообразно внедрять его там, где конструкция должна выдерживать экстремальные нагрузки.
- Космос: конструкции солнечных панелей и отражателей орбитальных станций, межпланетных кораблей.
- Авиастроение: для создания легких самолетов, в том числе цельнокомпозитных.
- Ракетостроение: в ракетах многоразового пользования.
- Атомная энергетика: в установках обогащения топлива.
- Медицина: в томографах и другом высокотехнологичном оборудовании.
Смотрите интервью с экспертом «Росатома» и специалистами Химико-технологического кластера, входящего в Научный дивизион «Росатома», в передаче телеканала МИР.
Подписывайтесь на наш канал и следите за новостями российской науки!
Присоединяйтесь к команде научного блока «Росатома», актуальные вакансии – на карьерном портале.