ЛЕКЦИЯ № 8 Плазмохимический синтез углеродных наноструктур 1. Пиролитический углерод 2. Фуллерены 3. Углеродные нанотрубки 4. Фуллерит 5. Наноалмазы 6. Нанолуковицы 7. Графен 8. Углеродное волокно 1 УПРОЩЕННАЯ ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА УГЛЕРОДА СХЕМЫ СТРОЕНИЯ АЛЛОТРОПНЫХ МОДИФИКАЦИЙ УГЛЕРОДА аморфный углерод алмаз графит алмаз жидкость графит фуллерен С60 фуллерен С70 фуллерен С540 газ углеродная нанотрубка Аллотропия – существование одного и того же химического элемента в виде различных по свойствам и строению структур 2 1. Пиролитический углерод Пиролитический углерод (пироуглерод) — это углеродные пленки, образующиеся на нагретых поверхностях при разложении органических соединений Получение пироуглерода происходит путём кристаллизации из газовой фазы на гладкой твердой поверхности. Изначально происходит образование «зародышей» на поверхности и их рост, в процессе которого атомы газообразного углерода взаимодействуют с углеродом «зародышей», в результате чего образуется твердая структура. Внутри слои углеродных атомов образуют графитоподобную структуру. 3 1. Пиролитический углерод а) б) Электронно-микроскопические изображения начальной стадии роста пироуглеродного покрытия при разном увеличении: а) × 4000; б) × 2000 4 1. Пиролитический углерод Свойствами пироуглеродных покрытий - структура, - пористость, - адгезионная прочность, - скорость роста и др. можно управлять, изменяя температуру процесса осаждения, ток вакуумнодугового разряда, давление углеродосодержащего газа и др. параметры. Электронно-микроскопическое изображение структуры скола сформированного пироуглеродного покрытия 5 1. Пиролитический углерод Пироуглерод применяется для получения композиционных материалов. Углеродная матрица в композитных материалах выполняет функцию передачи усилий на волокна, изоляции волокон друг от друга и от внешней среды. Область применения: - объемное уплотнение графитовой теплообменной аппаратуры, - электроды для химического спектрального анализа, - материалы для работы в коррозионных жидких средах, - высокотемпературные нагреватели, - подвижные межпозвонковые имплантаты. 6 ЛЕКЦИЯ № 7 Плазмохимический синтез углеродных наноструктур 1. Пиролитический углерод 2. Фуллерены 3. Углеродные нанотрубки 4. Фуллерит 5. Наноалмазы 6. Нанолуковицы 7. Графен 8. Углеродное волокно 7 2. Фуллерены Конец XX века ознаменовался открытием новых форм углерода, представляющих собой замкнутые структуры, поверхность которых выполнена шестиугольниками и пятиугольниками с атомами углерода в вершинах. Разновидностями этих новых углеродных структур являются фуллерены и нанотрубки. Открытие фуллеренов отмечено Нобелевской премией по химии за 1996 год. 8 Структуры фуллеренов С60 и С70, составленные из пятиугольных и шестиугольных колец углерода. 2. Фуллерены СХЕМА РОСТА МОЛЕКУЛЫ ФУЛЛЕРЕНА Атомы углерода → цепочка → кольцо → трехмерный трехцикл. кластер → трехмерный полицикл. кластер → трансформация в фуллерен + + Параметры С60: структура – 20 шестиугольников и 12 пятиугольников + D ≈ 0.714 нм + + Tр ≥ 1700 К – инертная среда Tр ≥ 500 К – атмосфера кислорода +2 + сродство к электрону 2.6 – 2.8 эВ 9 2. Фуллерены Интерес к получению и исследованию поверхностных структур углерода: 1. Фундаментальный интерес, который вызван новыми структурными особенностями и физикохимическими характеристиками этих объектов. Наличие внутри фуллерена замкнутой полости, размер которой сопоставим с характерными размерами атома или небольшой молекулы, позволяет создавать эндоэдральные структуры, в которых одна или несколько атомных частиц заключены внутрь графитовой оболочки. Структура молекулы Ca@C82 2. Прикладное использование Необычные физико-химические свойства фуллеренов составляют основу для множества направлений прикладного использования этих объектов. 10 2. Фуллерены Методы получения фуллеренов 1. Процессы термического распыления графита в атмосфере инертного газа под действием лазерного или сфокусированного солнечного излучения. 2. Дуговой разряд 3. Химические процессы, происходящие при высокотемпературном взаимодействии углеводородов с металлическими катализаторами. - процессы термокаталитического распада углеводородов - химическое осаждение паров углерода из плазмы, содержащей углеводороды 4. Электролитический метод, основанный на пропускании электрического тока через графитовые электроды, помещенные в жидкий электролит; 5. Твердотельный пиролиз тугоплавких соединений углерода 6. В пламенах в результате сгорания углеводородов. 11 2. Фуллерены Впервые молекулы фуллеренов C60 и С70 были получены Крото, Смолли, Керлом и др. в 1985 г. на установке для получения и исследования кластеров углерода, образующихся при лазерном облучении поверхности графита. В качестве источника излучения использовалось лазерное излучение (длина волны 532 нм) с длительностью импульсов 5 нc и энергией 30-40 мДж. Поток кластеров углерода, образующихся в результате термического испарения графита в атмосфере гелия при давлении несколько атмосфер, направлялся в масс-спектрометр, где измерялось распределение кластеров по массам. Масс-спектр кластеров углерода. 12 2. Фуллерены СИНТЕЗ ФУЛЛЕРЕНОВ ПРИ ЛАЗЕРНОМ ИСПАРЕНИИ ГРАФИТА Г. Крото, Р. Смолли, 1985 г. Импульсный лазер: λ = 532 нм 2 tи = 5 нс 3 N = 6 – 8 МВт 1 7 4 Условия синтеза: TП ≈ 1200 оС PHe,Ar ≈ 500 торр Микроскопическое производство 6 5 1 – инертный газ (He, Ar); 2 – печь; 3 – охлаждаемый медный коллектор; 4 – охлаждающая вода; 5 – графитовая мишень; 6 – кварцевая труба; 7 – лазерный пучок Состав графитовой сажи: 12 – 15 % фуллеренов С60, С70 30 – 35 % УНТ 20 % аморфного углерода 12 – 15 % углеводородов 5 – 10 % графитизир. частиц 1 – 2 % кремния 9 – 10 % металлических примесей 13 2. Фуллерены Условия синтеза фуллеренов: - неравновесное (повышенное) содержание свободных атомов углерода - присутствие буферного газа. Наиболее простой и эффективный способ реализации таких условий, разработанный в 1990 г. Кретчмером и Хаффманом, основан на использовании электрической дуги с графитовыми электродами. 14 Схема установки для получения фуллеренов из графита электродуговым методом. СИНТЕЗ ФУЛЛЕРЕНОВ ПРИ ИСПАРЕНИИ ГРАФИТА В ДУГЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В. Кретчмер, Д. Хаффман, 1990 г. Параметры дуги: U = 10 – 20 В I = 100 – 200 А f = 60 Гц Условия синтеза: PHe,Ar ≈ 100 торр Макроскопическое производство (скорость производства фуллеренов ~ г / ч) ~ Содержание фуллеренов в саже: ≈ 10 % фуллеренов С60 (90 %) и С70 (10 %) 15 2. Фуллерены Схема экспериментальной установки с принудительным продольным продувом буферного газа. а) общая схема; б) схема газового инжектора. 1 - водоохлаждаемая разрядная камера; 2 - источник питания; 3, 4-насосы; 5 - вакуум-насос, 6 - основание катода, 7- основание анода; 8 - анод; 9 - катод; 10 - отверстие в катоде; 11 - каналы для выхода газа; 12- газовый поток в 16 межэлектродном промежутке 2. Фуллерены Впервые получение фуллеренов из частиц аморфного углерода описано еще в 1992 г. Питание плазмотрона осуществляется от двух источников: источник постоянного тока мощностью 5 кВт источник ВЧ возбуждения мощностью 20 кВт, работающий на частоте 4 МГц. Схема установки для получения фуллеренов из мелкодисперсного углерода Зависимость выхода фуллеренов от скорости подачи 17 частиц аморфного углерода. 2. Фуллерены СИНТЕЗ ФУЛЛЕРЕНОВ ИЗ АБЛЯЦИОННОЙ ПЛАЗМЫ, ФОРМИРУЕМОЙ МОЩНЫМ ИОННЫМ ПУЧКОМ С. Курашима, К. Яцуи, 2000 г. Параметры ионного пучка: Е ~ 1 МэВ J ~ кА / см2 tи = 50 нс N = 10 Условия синтеза: Z = 130 – 180 мм q (Z) = 70 – 40 Дж / см2 Pост ≈ 10-4 торр PHe ≈ 1, 5, 10 торр 18 МАСС-СПЕКТРЫ ГРАФИТОВОЙ САЖИ, ПОЛУЧАЕМОЙ ИЗ АБЛЯЦИОННОЙ ПЛАЗМЫ Z = 130 мм вакуум 10-4 торр I, отн. ед. I, отн. ед. 700 Приведенная интенсивность пиков С60 Z = 130 мм He 5 торр 800 900 1000 1100 1200 M/q 700 800 900 1000 1100 1200 M/q 1 1) Фуллерены могут быть получены как в вакууме (10-4 торр), так и в атмосфере гелия 0.8 0.6 2) Общее количество фуллеренов, получаемых в вакууме, намного больше, чем в гелии 0.4 0.2 0 1 торр 5 торр РHe 10 торр 19 2. Фуллерены Цена существующих продуктов и материалов в некоторых потенциальных областях применения фуллеренов (I) и максимальная цена фуллеренов, про которой они становятся конкурентоспособными в той или иной области (II). Области применения фуллеренов: 1 — фармацевтика, 2 — алмазы, 3 — катализаторы, 4 — нелинейные поглотители, 5 — оптические материалы, 6 — покрытия для электроники, 7 — углеродные нити, 8 — композиты, 9 — антифрикционные добавки, 10 — компоненты для резины, 11 — моющие добавки, 12 — красители, 13 — пластификаторы, 14 — полимеры высокого качества, 20 15 — адсорбенты. 2. Фуллерены Область внешних параметров дугового разряда (ток, давление гелия и межэлектродное расстояние), при которых содержание фуллеренов в саже превышает 10%. 21 2. Фуллерены Стенка реактора R Макрочастиц ы 1 мкм Агрегаты 300 нм Наноразмерные кластеры 30 нм 3 нм D Ассоциаты 1 нм 10r0 Углеродные частицы Фуллерены Цепочки 3r0 Кольца Система колец Ось разряда r0 Схема образования фуллеренов в дуговом разряде 22 ЛЕКЦИЯ № 8 Плазмохимические методы получения углеродных наноструктур 1. Пиролитический углерод 2. Фуллерены 3. Углеродные нанотрубки 4. Фуллерит 5. Наноалмазы 6. Нанолуковицы 7. Графен 8. Углеродное волокно 23 3. Углеродные нанотрубки Углеродные нанотрубки (УНТ). Это протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких микрон Структура однослойной нанотрубки. УНТ сочетают в себе свойства молекул и твердого тела и могут рассматриваться как промежуточное состояние вещества (между молекулярным и 24 конденсированным). 3. Углеродные нанотрубки Применение нанотрубок 1. Нанотрубки можно использовать как микроскопические контейнеры для перевозки химически или биологически активных веществ: ядовитых газов, компонентов топлива и даже расплавленных металлов. Попав внутрь нанотрубки, атомы или молекулы уже не могут выйти наружу: концы нанотрубок надежно "запаяны", а углеродное ароматическое кольцо слишком узкое для большинства атомов. В таком виде активные атомы или молекулы можно безопасно транспортировать. Попав в место назначения, нанотрубки раскрываются с одного конца (а операции "запаивания" и "распаивания" концов нанотрубок уже вполне под силу современной технологии) и выпускают свое содержимое в строго определенных дозах. 25 3. Углеродные нанотрубки Применение нанотрубок 2. Катод с высокой эмиссионной способностью Высокое аспектное отношение, благодаря которому напряженность электрического поля в окрестности головки нанотрубки в сотни раз превышает соответствующее среднее по объему значение напряженности электрического поля, создаваемого внешним источником. Это, в свою очередь, приводит к аномально высокому значению тока эмиссии при сравнительно низком напряжении, приложенном к УНТ, что ставит эмиттеры с катодами, содержащими УНТ, вне конкуренции среди приборов, действие которых основано на полевой автоэлектронной эмиссии 3. Сорбент Поскольку УНТ является поверхностной структурой, вся ее масса заключена в поверхности ее слоев. Это определяет аномально высокую удельную поверхность нанотрубок, что, в свою очередь, задает особенности их электрохимических и сорбционных характеристик. 26 3. Углеродные нанотрубки 3. Высокое аспектное отношение благодаря которому напряженность электрического поля в сотни раз превышает соответствующее среднее по объему значение напряженности электрического поля, создаваемого внешним источником. Это, в свою очередь, приводит к аномально высокому значению тока эмиссии при сравнительно низком напряжении, что ставит эмиттеры с катодами, содержащими фуллерены, вне конкуренции среди приборов, действие которых основано на полевой автоэлектронной эмиссии 27 АВТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ формула Фаулера-Нордгейма 2 7 3/ 2 E 6 . 85 10 6 j 1.55 10 2 exp ( y ) t ( y) E y 3.62 104 E1/ 21 t 2 ( y ) 1.1 ( y ) 0.95 1.05 y 2 Усиление электрического поля за счет микровыступов: E=E0 ah 1 r h 2 r h 5 2r - Эллипсоид - Цилиндр со сферической вершиной - Конус со сферической вершиной (угол раствора θ~5-10) 28 Газоразрядный экран («плазменная панель») — устройство отображения информации, монитор, основанный на явлении свечения люминофора под воздействием ультрафиолетовых лучей, возникающих при электрическом разряде в ионизированном газе. Плазменная панель представляет собой матрицу газонаполненных ячеек, заключённых между двумя параллельными стеклянными пластинами, внутри которых расположены прозрачные электроды, образующие шины сканирования, подсветки и адресации. Разряд в газе протекает между разрядными электродами (сканирования и подсветки) на лицевой стороне экрана и электродом адресации на задней стороне. 29 3. Углеродные нанотрубки 4. Аномально высокая удельная поверхность Поскольку фуллерены является поверхностной структурой, вся ее масса заключена в поверхности ее слоев. Это определяет аномально высокую удельную поверхность и задает особенности их электрохимических и сорбционных характеристик. 30 31 3. Углеродные нанотрубки Применение нанотрубок 4. В качестве очень прочных микроскопических стержней и нитей. Как показывают результаты экспериментов и численного моделирования, модуль Юнга однослойной нанотрубки достигает величин порядка 1-5 ТПа, что на порядок больше, чем у стали 5. Острие сканирующего туннельного или атомного силового микроскопа. Обычно такое острие представляет собой остро заточенную вольфрамовую иглу, но по атомным меркам такая заточка все равно достаточно грубая. Нанотрубка же представляет собой идеальную иглу диаметром порядка нескольких атомов. 6. Полевой транзистор на основе одной нанотрубки Прикладывая запирающее напряжение в несколько вольт, ученые научились изменять проводимость однослойных нанотрубок на 5 порядков 7. Перспективное сырье для синтеза алмазов: С60 → алмаз при P ≈ 2·105 атм и Т ≈ 300 К графит → алмаз при P ≈ 4·106 атм и Т ≈ 1470 К 32 ЛЕКЦИЯ № 8 Плазмохимические методы получения углеродных наноструктур 1. Пиролитический углерод 2. Фуллерены 3. Углеродные нанотрубки 4. Фуллерит 5. Наноалмазы 6. Нанолуковицы 7. Графен 8. Углеродное волокно 33 4. Фуллерит ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ЯЧЕЙКА ГЦК-РЕШЕТКИ КРИСТАЛЛА ФУЛЛЕРИТА С60 Параметры и свойства фуллерита С60: структура – ГЦК-решетка на основе молекул фуллерена С60 Tр ≥ 1700 К – инертная среда Tр ≥ 500 К – атмосфера кислорода С60 ρС60 = 1.7 г / см3 (ρграф = 2.3 г / см3, ρалм = 3.5 г / см3) ΔE ≈ 1.5 эВ → фотопроводимость (квантовый выход ≈ 0.9) → лучший органический фотопроводящий материал Структура М3С60 обладает металлической проводимостью (М – атом щелочного металла) Сверхпроводимость RbCs2C60 при 33 К RbTiC60 при 42.5 К 34 ЛЕКЦИЯ № 8 Плазмохимический синтез углеродных наноструктур 1. Пиролитический углерод 2. Фуллерены 3. Углеродные нанотрубки 4. Фуллерит 5. Наноалмазы 6. Нанолуковицы 7. Графен 8. Углеродное волокно 35 5. Наноалмазы Детонационные наноалмазы (НА) впервые синтезированы в 1963 г. российскими учеными путем взрывного разложения мощных смесей взрывчатых веществ (ВВ) Механизм образования НА из смеси тротил-гексоген. 1. В детонационной волне происходит полный распад молекул ВВ на атомы. 2. Образовавшиеся атомы углерода конденсируются в аморфную углеродную фазу. 3. Частицы аморфного углерода, претерпев фазовый переход, превращаются в алмаз. В диапазоне давлений 17 — 23 МПа полнота превращения, по мнению авторов, увеличивается от 0 до 100%. При детонации ВВ в среднем развиваются температура — до 4000 К и давление — до 30 ГПа. 36 5. Наноалмазы Детонационные наноалмазы (ДНА) – алмазы, полученные из углерода взрывчатых веществ при подрыве во взрывной камере в газовой или жидкой средах. 37 38 5. Наноалмазы 39 5. Наноалмазы Поиск путей повышения характеристик покрывающей поверхности в начале 80-х годов ХХ века привел к неординарному решению. Была обнаружена возможность осаждения различных металлов с внедренными в электролит наноалмазами (ультрадисперсными алмазами -УДА ). Считается, что вследствие появления большого числа центров кристаллизации формирование покрытия носит многозародышевый характер и поэтому имеет сверхмалые размеры структурных фрагментов. Размер областей когерентного рассеяния кристаллитов хрома составляет 6,2 - 9,7 нм, причем параметр решетки хрома на 0,10 - 0,15 нм больше его стандартных значений. Увеличение стойкости инструмента: металлорежущий инструмент (сверла, фрезы, метчики, резцы и т.п.) – в 2 – 5 раз; формообразующий инструмент (штампы, пуансоны, фильеры и т.п.) – в 2 – 4 раза; узлы трения (подшипники, валы, втулки и т.п.) – в 4 – 12 раз; буровое и гидравлическое оборудование – 3 – 6 раз. 40 5. Наноалмазы Наноалмазы, введенные в материалы, играют роль мощного структурообразователя, обеспечивая дисперсионное упрочнение композиции. 41 5. Наноалмазы 42 5. Наноалмазы Наноалмазы обладают рядом важных физико-химических свойств: - размер алмазного ядра первичных частиц равен 4-6 нм, - высокоразвитая поверхность материала (до 420 м2/г); - наноалмазы обладают химической устойчивостью к агрессивным факторам и механической прочностью 43 5. Наноалмазы 44 ЛЕКЦИЯ № 7 Плазмохимические методы получения углеродных наноструктур 1. Пиролитический углерод 2. Фуллерены 3. Углеродные нанотрубки 4. Фуллерит 5. Наноалмазы 6. Нанолуковицы 7. Графен 8. Углеродное волокно 45 6. Нанолуковицы 46 47 6. Нанолуковицы 48 ЛЕКЦИЯ № 8 Плазмохимический синтез углеродных наноструктур 1. Пиролитический углерод 2. Фуллерены 3. Углеродные нанотрубки 4. Фуллерит 5. Наноалмазы 6. Нанолуковицы 7. Графен 8. Углеродное волокно 49 7. Графен Графе́н - двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, находящихся в sp²-гибридизации и соединённых посредством σ- и π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. 50 7. Графен По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью и рекордно большой теплопроводностью. Высокая подвижность носителей заряда (максимальная подвижность электронов среди всех известных материалов) делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах. За «передовые опыты с двумерным материалом — графеном» А. К. Гейму и К. С. Новосёлову была присуждена Нобелевская премия по физике за 2010 год 51 7. Графен Один из существующих в настоящее время способов получения графена в условиях научных лабораторий основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоёв графита от пиролитического графита. Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура. Другой известный способ — метод термического разложения подложки карбида кремния — гораздо ближе к промышленному производству. С 2010 года доступны листы графена метрового размера, выращенные методом химического осаждения из газовой фазы. Из-за особенностей энергетического спектра носителей графен проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства. Впоследствии были получены аналогичные двумерные кристаллы кремния (силицен), фосфора (фосфорен), германия (германен). 52 7. Графен Графен - самый тонкий материал из всех существующих. Он в 200 раз прочнее стали и проводит электричество при комнатной температуре лучше, чем любой другой материал, известный человечеству. 53 ЛЕКЦИЯ № 8 Плазмохимический синтез углеродных наноструктур 1. Пиролитический углерод 2. Фуллерены 3. Углеродные нанотрубки 4. Фуллерит 5. Наноалмазы 6. Нанолуковицы 7. Графен 8. Углеродное волокно 54 8. Углеродное волокно Углеродное волокно — материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 5 до 15 мкм, образованных преимущественно атомами углерода. Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу. Выравнивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение. Углеродные волокна характеризуются высокой силой натяжения, низким удельным весом, низким коэффициентом температурного расширения и химической инертностью. 55 8. Углеродное волокно Впервые получение и применение углеродных волокон (УВ) (точнее, нитей) было предложено и запатентовано известным американским изобретателем Томасом Эдисоном в 1880 г. в качестве нитей накаливания в электрических лампах. УВ получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Температурная обработка состоит из нескольких этапов. 1. Окисление исходного синтетического волокна на воздухе при температуре 250 °C в течение 24 часов. 2. Карбонизация — нагрев волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C. В результате карбонизации происходит образование графитоподобных структур. 3. Графитизация при температуре 1600-3000°С, которая также проходит в инертной среде. В результате графитизации количество углерода в волокне доводится до 99 %. 56 8. Углеродное волокно. Свойства 1. Высокая теплостойкость и низкая теплопроводность: При тепловом воздействии вплоть до 1600—2000 °С в отсутствие кислорода механические показатели волокна не изменяются. Это предопределяет возможность применения УВ в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике. 2. Высокая удельная площадь поверхности Активацией УВ получают материалы с большой активной поверхностью (300—1500 м²/г), являющиеся прекрасными сорбентами. Нанесение на волокно катализаторов позволяет создавать каталитические системы с развитой поверхностью. 3. Уникальные механические свойства УВ имеют прочность порядка 0,5—1 ГПа и модуль 20—70 ГПа, а подвергнутые ориентационной вытяжке — прочность 2,5—3,5 ГПа и модуль 200—450 ГПа. Благодаря низкой плотности (1,7—1,9 г/см³) по удельному значению (отношение прочности и модуля к плотности) механических свойств лучшие УВ превосходят все известные жаростойкие волокнистые материалы. 57 8. Углеродное волокно. Применение 1. УВ применяют для армирования композиционных, теплозащитных, химостойких и других материалов в качестве наполнителей в различных видах углепластиков. Наиболее ёмкий рынок для УВ в настоящее время — производство первичных и вторичных структур в самолетах различных производителей, в том числе таких компаний как «Boeing» и «Airbus» (до 30 тонн на одно изделие) 2. Из УВ изготавливают экраны, поглощающие электромагнитное излучение, изделия для электро- и радиотехники. 3. Сорбенты 4. Катализаторы 58 Углепластик имеет малый удельный вес — 1,5 г/см³ (алюминиевые сплавы — 2,8 г/см³, титановые сплавы — 4,5 г/см³). Деталь из композитов может быть до 80% легче металлической. Прочность и жёсткость углепластиков примерно в шесть раз выше, чем у основных сортов стали. Сравнительные характеристики углеволокна и других материалов Тип волокна Прочность Модуль Удлинение Плотность при упругости При ,г/см3 растяжении, при разрыве, % МПа растяжении, ГПа Углеродное (на высокопрочное со основе стандартным ПАН-прекурсора) модулем высокопрочное среднемодульное Стальное 3500-5000 200-280 1.4-2,0 1.75-1.80 4500-7000 280-325 1.7-2.1 1.73-1.81 высокопрочное 1200-2800 200 3.5 7.8 нержавеющее 800-2000 190 3.0 7.8 59 Композиты используют в изготовлении ряда частей авиалайнера: • Элероны • Закрылки • Рули направления и рулевые поверхности • Элемент конструкции сложного закрылка • Пилоны • Панели коробки приводов • Люки коробки приводов • Лопасти винтов • Панели крыльев вертикального и горизонтального оперения • Элементы силового набора (центроплан, кессон, лонжероны, стрингеры, нервюры) • Элементы обшивки фюзеляжа • Элементы внутреннего силового набора (балки и панели полов, перегородки) • Детали интерьеров и отделки • Двери, капоты авиадвигателя и многое другое 60 ЛЕКЦИЯ № 7 Плазмохимический синтез углеродных наноструктур 1. Пиролитический углерод 2. Фуллерены 3. Углеродные нанотрубки 4. Фуллерит 5. Наноалмазы 6. Нанолуковицы 7. Графен 8. Углеродное волокно 61
