Группа исследователей из Центра Сколтеха по проектированию, производственным технологиям и материалам (CDMM) опубликовала результаты исследования, посвященного изучению многофункциональных материалов, получаемых путем добавления углеродных наночастиц к полимерным матрицам. Исследованный учеными новый недорогой метод предназначен для самодиагностики материалов.
Исследование, первым автором которого является аспирант Сколтеха Хассаан Ахмад Батт из исследовательской группы под руководством профессора Сергея Абаимова, опубликовано в журнале Composite Structures. Оно является составной частью проекта, включающего несколько этапов и нацеленного на получение материалов с самодиагностикой, которые можно внедрять и изготавливать, используя существующие технологические процессы.
Во всем мире требования к свойствам полимерных композитов растут с каждым годом. Особое внимание в последнее время уделяется углеродным наночастицам, которые можно вводить в системы композиционных материалов. Проведенные в этом направлении исследования показали, что добавление относительно небольших количеств таких частиц может способствовать улучшению механических свойств конечного материала при одновременном достижении электропроводности и пьезорезистивности. Однако организация полномасштабного производства материалов с использованием углеродных наночастиц является непростой задачей, требующей коренной модернизации технологических процессов и оборудования.
«Именно по этой причине мы решили использовать концентраты, а также доступные и недорогие производственные технологии. Хранение, транспортировка и внедрение концентратов в технологические процессы серийного производства не требуют проведения дорогостоящей модернизации существующих мощностей, а обычный смеситель имеется практически на любом предприятии, где производят термореактивные полимеры», – отмечает Хассаан.
В ходе исследования ученые проследили, как меняется электропроводность полимерных матриц при добавлении углеродных наночастиц, а также проанализировали влияние механических нагрузок на электропроводность, возможность контроля за электропроводностью и ее связь с деформацией материала. Эта задача решается при помощи универсальных измерительных приборов и не требует использования сложных методов контроля.
Такие материалы, способные сами выполнять измерения, могут в перспективе прийти на смену датчикам в авиационных конструкциях и других системах, для которых критическим параметром является вес. Кроме того, используя одни и те же материалы и технологические процессы, можно производить электропроводящие материалы для самых разных приложений – от электросхем и электромагнитных экранов до специальных датчиков температуры и влажности. Концепция производства материала не ограничена одной технологией и допускает использование разных технологий, например, таких как пултрузия и вакуумная инфузия.
«Современные материалы находят применение в самых разных областях – от авиации и космоса до специализированных датчиков. Уникальность этих материалов заключается в том, что их можно масштабировать как до целых конструкций, так и, наоборот, до отдельных миниатюрных датчиков», – добавляет Хассаан.