Проводящие модификации углерода

Наиболее эффективный способ получения фуллеренов основан на термическом разложении графита. Используется как электролитический нагрев графитового электрода, так и лазерное облучение поверхности графита.

Металл-фуллереновые плёнки обычно получают методом термического распыления в вакууме. Поскольку фуллерены начинают сублимировать при температурах ниже 700 К, а температура испарения металлов значительно выше, то для получения плёнок используют два испарителя. Концентрация фуллеренов в плёнках определяется скоростями поступления компонентов (атомов и молекул), которые регулируются температурой испарителей и их расположения относительно подложки.

Кристаллические фуллерены и пленки представляют собой полупроводники с шириной запрещенной зоны 1,2-1,9 эВ и обладают фотопроводимостью. При облучении видимым светом электрическое сопротивление кристалла фуллерита уменьшается. Фотопроводимостью обладают не только чистый фуллерит, но и его различные смеси с другими веществами. Фуллерены в кристаллах характеризуются относительно невысокими энергиями связи, поэтому в таких кристаллах уже при комнатной температуре наблюдаются фазовые переходы, приводящему к ориентационному разупорядочению и размораживанию вращения молекул фуллеренов. Кристаллы С60, легированные атомами щелочных металлов обладают металлической проводимостью, и переходят в сверхпроводящее состояние в диапазоне от 19 до 55 К в зависимости от типа щелочного металла. Еще более высокая температура сверхпроводящего перехода (вплоть до 100К) ожидается для сверхпроводников на основе высших фуллеренов.

Молекулы фуллеренов, в которых атомы углерода связаны между собой как одинарными, так и двойными связями, являются трехмерными аналогами ароматических структур. Обладая высокой электроотрицательностью, они выступают в химических реакциях как сильные окислители. Присоединяя к себе радикалы различной химической природы, фуллерены способны образовывать широкий класс химических соединений, обладающих различными физико-химическими свойствами.

Фуллерены планируют использовать в качестве основы для производства аккумуляторных батарей. Эти батареи, принцип действия которых основан на реакции присоединения водорода, во многих отношениях аналогичны широко распространенным никелевым аккумуляторам, однако, обладают, в отличие от последних, способностью запасать примерно в пять раз больше удельное количество водорода. Кроме того, такие батареи характеризуются более высокой эффективностью, малым весом, а также экологической и санитарной безопасностью по сравнению с наиболее продвинутыми в отношении этих качеств аккумуляторами на основе лития. Такие аккумуляторы могут найти широкое применение для питания персональных компьютеров и слуховых аппаратов.

8. Нанотрубки. Впервые нанотрубки были открыты в лабораториях компании NEC японским исследователем Симио Иияма (Simio Iijama), который занимался изучением осадка, образующегося на катоде при распылении графита в электрической дуге. Его внимание привлекла необычная структура осадка, состоящего из микроскопических нитей и волокон. Протяженные структуры, состоящие из свернутых гексагональных сеток с атомами углерода в узлах, впоследствии получили название нанотрубок. Открытие нанотрубок вызвало большой интерес у исследователей, занимающихся созданием материалов и структур с необычными физико-химическими свойствами. Идеальная нанотрубка - это цилиндр, полученный при свертывании плоской гексагональной сетки графита без швов. Взаимная ориентация гексагональной сетки графита и продольной оси нанотрубки определяет очень важную структурную характеристику нанотрубки, которая получила название хиральности. Хиральность характеризуется двумя целыми числами (m, n), которые указывают местонахождение того шестиугольника сетки, который в результате свертывания должен совпасть с шестиугольником, находящимся в начале координат. Проведенные расчеты показали, что нанотрубки с подобной структурой должны обладать металлическим типом проводимости, а также иметь повышенную стабильность.

Решение задачи:

Сопротивление композиции не будет изменяться с температурой, если

При линейном изменении сопротивления с изменением температуры, если пренебречь изменением размеров проводников, можно записать

После сокращений и подстановок получаем:

, по условию  и

2. Композиты на неметаллической матрице и армированные пластики

Композиционные материалы (композиты) (от лат. compositio – составление), многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной, керамической или др. основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодиспeрсных частиц и др. Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы (связующего), их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств. Использование в одном материале нескольких матриц (полиматричные композиционные материалы) или наполнителей различной природы (гибридные композиционные материалы) значительно расширяет возможности регулирования свойств композиционных материалов.

Композиты с полимерной и углеродной матрицами относятся к композитам с неметаллической матрицей. В качестве армирующих элементов композитов с полимерной матрицей используются непрерывные и дискретные волокна различной природы, ткани и нетканые материалы на основе этих волокон. Наибольшее распространение получили пластики, армированные стеклянными, углеродными, органическими, борными и некоторыми другими видами волокон. В качестве матрицы используются отвержденные эпоксидные, полиэфирные и некоторые другие термореактивные смолы, а также полимерные термопластичные материалы.

Достоинства композитов с полимерной матрицей следующие: высокие удельные прочностные и упругие характеристики, стойкость к химическим агрессивным средам, низкие тепло- и электропроводность, радиопрозрачность стеклопластиков и т.п. К достоинствам этих материалов следует отнести также и то, что при их изготовлении относительно легко при умеренных температурах и давлениях удается соединить армирующие элементы с матрицей. При этом могут быть применены как традиционные процессы типа прессования, так и новые, такие, как намотка, когда материал и изделие создаются одновременно.

К недостаткам пластиков относятся их низкие прочность и жесткость при сжатии и сдвиге, низкие тепловая и радиационная стойкость, гигроскопичность, подверженность изменению физико-механических характеристик при старении и под воздействием климатических факторов.

Низкие тепловая и эрозионная стойкости, а также некоторые другие недостатки полимерных композитов, в основном, определяются полимерной матрицей. Качественно новый уровень свойств материала позволяют получить карбонизация полимерной матрицы, реализуемая при образовании углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ), представляющих собой систему углеродное волокно- углеродная матрица. Углеродная матрица, подобная по физико-механическим свойствам углеродным волокнам, позволяет наиболее полно реализовать в композите уникальные свойства углеродного волокна.

УУКМ обладают целым рядом ценных, часто уникальных свойств: чрезвычайно высокой теплостойкостью (в инертной среде они сохраняют свои высокие удельные физико-механические свойства вплоть до 2500К и работают при повышенных температурах в отличие от углепластиков), хорошей стойкостью к термоудару (как тугоплавкие материалы), низкими значениями температурного коэффициента расширения и теплопроводности, высокой стойкостью к химическим реагентам (это свойство делает их весьма перспективными для использования в конструкциях химического машиностроения. атомной энергетике и др.).

Полимерная матрица образуется после отверждения (полимеризации) связующего. К связующим и матрицам предъявляются весьма широкий комплекс требований как в процесс изготовления материала, так и при эксплуатации изделия из композита. На этапе изготовления комплекс требований следующий: хорошая смачивающая способность и адгезия к армирующему материалу, низкая усадка при отверждении, низкая вязкость связующего при большой жизнеспособности , высокая скорость отверждения.

Комплекс требований, которые предъявляются к матрице на этапе эксплуатации, следующий: высокие физико-механические характеристики матрицы, во многом определяющие свойства композита, высокая термостойкость матрицы, стойкость к климатическим и биологическим факторам и т.д.

Также на свойства композиционных материалов на основе полимерной матрицы влияет выбор армирующего волокна. Наиболее широко в настоящее время применяют композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами (стеклопластики). Они обладают относительно высокой прочностью, устойчивостью к знакопеременным нагрузкам и тепловым ударам , высокой радиопрозрачностью, коррозионной и эрозионной стойкостью, легко поддаются механической обработке. Армирующими элементами в конструкционных стеклопластиках являются непрерывные волокна , организованные в виде нитей и жгутов различной степени крутки, либо ткани различного переплетения. Слоистые стеклопластики на основе тканей называют стеклотекстолитами.

Механические свойства стеклотекстолитов завмсят от свойств волокон и матрицы, а также от вида переплетени яволокон в ткани (сатиновое или атласное, саржевое, полотняное) и соотношение волокон по основе и утку ткани. Наиболее высокие механические характеристики имеют стеклотекстолиты на основе однослойных тканей сатинового переплетения. Характеристики стеклотекстолитов снижаются при использовании для их изготовления тканей с толщинами, большими, чем у однослойных сатиновых тканей. Выбор связующего для стеклопластиков определяется условиями их изготовления и эксплуатации. В производстве стеклопластиков широко используются как термореактивные смолы, так и различные термопластичные полимеры.

Следующий вид высокопрочные армидные волокна, обладающие высокими удельными прочностными и упругими характеристиками, ударной вязкостью, электрическим сопротивлением, химической стойкостью, высокими теплоизоляционными свойствами. Композиционные материалы на их основе называются – органопластиками. Армирующими элементами конструкционных органопластиков являются непрерывные волокна, представленные в виде нитей и жгутов различной линейной плотности и степени крутки, а также в виде тканей.

Следующий тип-высокопрочные углеродные волокна, и композиционные материалы на их основе- углепластики. Наряду с органопластиками являются наиболее перспективным видом композиционных материалов. Их отличают высокие удельные характеристики прочности и жесткости, термостойкость до 570К, низкий температурный коэффициент линейного расширения, эрозионная стойкость и стойкость к агрессивным средам.

 В качесте армирующих элементов в конструкционных углепластиках применяются непрерывные волокна в виде нитей или жгутов, ткани и нетканные материалы. В качестве матриц-эпоксидные, эпоксифенольные, полиимидные и другие смолы.

 Углепластики находят  применение в авиационной, ракетной  и космической технике, в автомобилестроении, при изготовлении  спортивного  инвентаря и в других областях.

Пластики с армирующими элементами в виде волокон бора применяются в тех случаях, когда требуется высокая прочность при сжатии , а также, когда элементы конструкции работают в условиях повышенных температур. Борные волокна относятся к числу полупроводников, поэтому их присутствие в материале придает ему повышенную тепло- и электропроводимость. В качестве связующих применяются эпоксидные, полиэфирные , фенолформальдегидные и другие смолы.

Создание гибридных композитов путем совмещения в едином материале волокон разной природы является эффективным средством регулирования свойств композитов.

Зависимость свойств углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ), как и других волокнистых композитов , от расположения волокнистых армирующих элементов делает решение вопроса оптимального выбора типа и схемы армирования одним из основных при разработке деталей различного назначения. Армирующие элементы в таких матрицах классифицируются в первую очередь по геометрическому принципу:

• С хаотичным расположением волокон (фетры и войлоки);
• С ориентированными в двух направлениях волокнами и тканями (2Д армирование);
• С ориентированными в трех (и более) направлениях волокнами, т.е. с пространственным расположением волокон. Оно же является самым перспективным.

Углеродная матрица , подобная по физико-химическим свойствам углеродному волокну, обеспечивает термостойкость УУКМ и позволяет наиболее полно реализовать в композите уникальные свойства углеродного волокна. Углеродная матрица в композите выполняет следующие функции: передает усилие на волокна, защищает волокна от воздействия внешней среды, изолирует отдельные волокна друг от друга, препятствует их взаимному сдвигу.