Надлегкі матеріали

НАДЛЕГКІ́ МАТЕРІА́ЛИ — тверді речовини, що мають щільність меншу за 10 кг/м³ та містять кварцові й аерогелі з вуглецевих нанотрубок (див. Матеріали вуглецеві), аеро­графіт, аеро­графен, металеві піни з комірча­стою структурою (див. Матеріали високопористі), металеві мікрорешітки та спінені полімери (див. Спінені матеріали). В умовах атмо­сфери щільність Н. м. знач. мірою залежить від щільності повітря (ρ~1,275 кг/м³), що заповнює в структурі усі пори та порожнини. Характеристики Н. м. об­умовлені властивостями твердої структур. складової з урахува­н­ням заг. обʼєму заповнених повітрям порожнин, заг. пористості q (від­нос. щільності ρ*/ρ_s=1-q, де ρ* — щільність пористого матеріалу, ρ_s — щільність суціл. матеріалу), топології комірок (за­мкнені, неза­мкнені, частково за­мкнені), а також їхньої морфології (роз­міру та форми), що залежить від методу виготовле­н­ня. Н. м. проявляють пружність, в умовах стиска­н­ня при деформаціях до 50 % повністю від­новлюють форму, витримують екс­тремал. навантаже­н­ня, тобто мають до­статню жорсткість та міцність. Деяким Н. м. з високою пористістю властива значна тепло­провід­ність, потрібна для багатьох виробів (напр., у теплооб­мін. трубках). Н. м. пер­спективні для викори­ста­н­ня в різноманіт. галузях промисловості та техніки. Так, напр., спінені високопористі матеріали, що характеризуються високою здатністю до сорбції, ефективні при очищен­ні поверх­ні водо­ймищ від гідрофоб. за­бруднювачів, зокрема й нафти та нафто­продуктів; для термоізоляції приміщень; для захисту мост. кон­струкцій від негатив. температур. коливань тощо.

Аерогелі — клас високопористих матеріалів; гель, в якому рідка фаза повністю заміщена газоподібною. Вперше вина­йшов 1931 амер. інж.-хімік С. Кістлер, який замінив рідину в гелі на метанол. Подальше на­гріва­н­ня метанолу під тиском до критич. температури (240 °C) забезпечувало його видале­н­ня з гелю, що не зменшувався в обʼємі та майже не стискався. За структурою аерогелі належать до мезопористих матеріалів, в яких заповнені повітрям порожнини або порожнисті ка­нали діаметром 2–50 нм за­ймають не менше 50 % (найчастіше — 90–99 %), тверда фаза має ви­гляд сітки з по­єд­наних у кластери сферич. наночасток роз­мірами 2–5 нм, а щільність варіюється в ме­жах від 1 до 150 кг/м³. Вони проявляють над­звичайно низьку щільність у комбінації з низкою унікал. властивостей, зокрема твердістю, про­зорістю, жароміцністю, наднизькою тепло­провід­ністю. Не­зважаючи на схильність до роз­тріскува­н­ня, кварц. аерогель витримує навантаже­н­ня, що в 2000 разів пере­вищує його вагу. Нині роз­по­всюджені аерогелі на основі аморф. діоксиду кремнію, глиноземів, а також оксидів хрому та олова. На­прикінці 1980-х рр. отримано аерогель на основі ву­глецю. З аерогелів з високими термоізоляц. характеристиками будують скляні напів­про­зорі дахи, створюють газові та рідин­ні фільтри, кварц. аерогелі використовують в оптиці для отрима­н­ня зображень, а також як осушувачі для пакува­н­ня електрон. обладна­н­ня; їх додають до фарб і косметич. засобів, з них виготовляють спорт. прила­д­дя, зокрема ракетки для тенісу, сквошу, бадмінтону. Завдяки електро­провід­ності з вуглецевих аерогелів випускають електроди для конденсаторів, їх за­стосовують у виробництві суперконденсаторів ємністю в тисячі фарад. Вони є досить ефектив. по­глиначами соняч. світла, оскільки від­бивають 0,3 % ви­промінюва­н­ня в інтервалі довж. хвиль від 250 до 14300 нм. Глиноземні аерогелі з оксидом алюмінію та домішками ін. металів використовують як каталізатори. На основі алюмооксид. аерогелів з домішками гадолінію та тербію в Нац. упр. з аеронавтики і дослідж. косміч. простору США (NASA) роз­робили детектор високошвидкіс. спів­ударів. Аерогелі використовують в уловлювачах косміч. пилу та в черенков. детекторах заряджених частинок.

Аерографіт — один з найлегших матеріалів, щільність якого (без урахува­н­ня щільності повітря в порах) складає 0,18 кг/м³. Роз­роблено 2012 між­нар. групою дослідників Київ. університету та Тех. університету Гамбурґа (Німеч­чина). Є високопористим матеріалом чорного кольору, може набувати різних форм, за­ймаючи обʼєм у декілька кубіч. сантиметрів. Структура аеро­графіту — взаємозвʼязана сітка вуглецевих трубок діаметром декілька мкм і товщиною стінок бл. 15 нм. Стінки трубок часто пере­ривчасті та мають склад­часті зони, що під­вищує еластичність матеріалу. Звʼязки між атомами вуглецю мають sp² характер. В умовах зовн. стиска­н­ня електро­провід­ність аеро­графіту зро­стає від 0,3 См/м до 0,8 См/м з одночасним збільше­н­ням щільності від 0,18 кг/м³ до 0,20 кг/м³, досягаючи 37 См/м та 50 кг/м³ в ущільненому стані. Завдяки особливостям структури цей матеріал більш стійкий в умовах навантаже­н­ня роз­тягува­н­ням, ніж інші спінені вуглецеві матеріали та кварц. аерогелі, витримує значні пружні деформації, має дуже низький коефіцієнт Пуасона. Границя міцності аеро­графіту в умовах роз­тягува­н­ня залежить від щільності та складає 160 кПа при ρ=8,5 кг/м³ та 1 кПа при ρ=0,18 кг/м³, пере­вищуючи за цим показником найміцніший кварц. аерогель, що має границю міцності 16 кПа при ρ=100 кг/м³. Модуль Юнга аеро­графіту в умовах роз­тягува­н­ня набуває значе­н­ня Е=15 кПа при ρ=0,2 кг/м³, однак є набагато меншим в умовах стиска­н­ня, збільшуючись від 1 кПа при ρ=0,2 кг/м³ до 7 кПа при ρ=15 кг/м³. Аеро­графіт проявляє над­гідрофобність та має схильність до електро­статич. ефектів. Аеро­графіт отримують хім. осадже­н­ням (CVD-процесом) на під­кладку з оксиду цинку, синтезуючи його при т-рі 760 °С в атмо­­сфері аргону та додаючи в камеру як носій вуглецю толуол. Цей матеріал можна за­стосовувати для електродів у виробництві іонисторів, досягаючи електроємність 1,25 Вт*год./кг (порівняно з аналогіч. показником для електродів з вуглецевих нанотрубок, що складає 2,3 Вт*год./кг).

Аерографен — різновид аерогелів, щільність якого без врахува­н­ня ваги повітря в порожнинах складає 0,16 кг/м³. Роз­роблено 2020 китай. науковцями. Є штуч. високопористим матеріа­лом, синтез якого перед­бачає обтисне­н­ня під­готовленого роз­чину оксиду графену з отрима­н­ням гідрогелю, який на на­ступ. етапі зневоднюють шляхом низькотемператур. дегідратації, заміщуючи рідину повітрям. Отримана структура має ви­гляд сітки ковалентно звʼязаних шарів графену, що межують з великими повітряними порожнинами, за­без­печуючи низьку щільність матеріалу на рівні 3 кг/м³. Морфологія комірок аеро­графену може бути від­творена методом 3D-друку, що надає можливість формувати високо упорядковану структуру. Завдяки структурі та морфології комірок має високі мех. властивості, його модуль Юнга може досягати 50 МПа, в умовах стиска­н­ня проявляє пружність при деформаціях понад 50 %. Унаслідок від­новлювал. стисливості та заг. структур. жорсткості аеро­графен може абсорбувати й утримувати значні обсяги рідини без ушкодже­н­ня структури. Сфери потенцій. викори­ста­н­ня: очище­н­ня узбереж­жя від за­брудне­н­ня шкідливими речовинами; в аерокосміч. техніці для прибира­н­ня комет. пилу.

Металева мікрорешітка — штуч. високопористий матеріал зі щільністю 0,9 кг/м³ (без урахува­н­ня повітря). Вина­йдено 2011–12 амер. науковцями HRL-лабораторії та Каліфорній. університету. Металеві мікрорешітки мають ви­гляд сітки взаємосплетених порожнистих елементів, кожний з яких має діаметр бл. 100 мкм і товщину стінки 100 нм. У структурі мікрорешітки міститься 99,99 % повітря, тому щільність матеріалу оцінюють в 2,1 кг/м³ (у 100 разів менша за щільність спученого полі­стерену торг. марки Styrofoam). Як і еластомери, мікрорешітки після знач. стиска­н­ня майже повністю від­новлюють свою форму, що до­зволяє використовувати їх як ефективні амортизатори. Модуль Юнга Е металевих мікрорешіток залежить від щільності та може бути ви­значений за роз­рахунками як E~ρ², на від­міну від залежності E~ρ³ для аерогелів та піни з вуглецевих нанотрубок. Металеві мікрорешітки виготовляють за принципом копіюва­н­ня комірчастої структури моделі з полімер. піни, попередньо вкритої шаром матеріалу з високою електро­провід­ністю (пере­важно на основі графіту або вуглецю), що наносять із за­стосува­н­ням ін­фрачервоного ви­промінюва­н­ня. Під­готовлену таким чином полімерну форму вкривають тонким шаром металу (пере­важно нікелю) шляхом електрохім. осадже­н­ня в CVD-реакторі, здійснюють синтезуюче від­палюва­н­ня. Металеві мікрорешітки можна за­стосовувати як тепл. та вібрац. ізолятори (для послабле­н­ня коливань), акумуляторні електроди та носії каталізаторів. Їхню здатність до від­новле­н­ня форми можна використовувати для прист­роїв накопиче­н­ня енергії. У автомобіл. та авіац. виробництвах металеві мікрорешітки є багатофункціонал. матеріалом для надлегких компонентів транс­порт. засобів.

Спінені полімерні матеріали — органічні високопористі матеріали, що належать до класу надлегких композитів з комірча­стою структурою. За топологією комірок спінені полімери умовно поділяють на 3 групи: пінопласти із за­мкнутими комірками (закритою пористістю), поропласти з неза­мкненими комірками (від­критою пористістю) та сотопласти зі стільник. структурою. Завдяки за­мкнутим коміркам пінопласти мають високі теплоізоляц. властивості та плавучість, однак їхня міцність залежить від щільності матеріалу (в інтервалі від 20-ти до 300 кг/м³). Пінопласти з модулем пружності нижче 100 МПа зараховують до жорстких спінених полімерів, а поропласти з модулем пружності вище 1000 МПа — до еластичних, для яких при знач. пористості щільність варіюється в межах від 5-ти до 90 кг/м³. Сотопласти мають до­статньо високі тепло- та електроізоляц. властивості, а також радіо­про­зорість. Найчастіше для виготовле­н­ня спінених полімерів використовують поліуретан (ПУ), поліетилен (ПЕ), полістирол (ПС), полівінілхлорид (ПВХ), а також фенол формальдегідні смоли (ФФС), нітрил бутадієнову гуму (НБГ). За реакцією на тепл. вплив спінені полімери поділяють на термопластичні (напр., на основі ПС, ПВХ) та терморе­активні (напр., на ос­нові ПУ, ФФС). Для виготовле­н­ня спінених полімерів і виробів з них є 2 методи створе­н­ня газової фази: пряме інжектува­н­ня газу в роз­мʼяк­шену полімерну масу або додава­н­ня в неї ре­агенту, що роз­кладається з виділе­н­ням газу під час на­гріва­н­ня. Залежно від обраної сировини технол. процес дає можливість гнучко керувати пористістю спінених полімерів, формуючи в них необхідну щільність. Вироби зі спінених полімерів можуть мати будь-яку форму: плит, плівок, листів, обручів, ниток, профілів, шаруватих плит, гранул тощо. Спінені вироби з роз­мірами комірок від 0,05 мм до 15 мм мають щільність від 5-ти до 800 кг/м³. Спінений ПУ з пористістю 97 % (щільність 30–35 кг/м³) і роз­міром комірок від 0,2 до 1,0 мм за­стосовують як буд. матеріал для теплоізоляції трубо­проводів, мереж тепло- та газопо­стача­н­ня, кріоген. трубо­проводів, стін, покрівель, морозил. камер, герметизації вікон, дверей і стиків між панелями. Спінений ПС зі щільністю 35 кг/м³ використовують як пакувал., амортизац. і буд. ізоляц. матеріал. Зі спіненої НБГ виготовляють: для автомобіл. й авіац. пром-стей — паливні шланги, для ядер. індустрії та медицини — захисні однораз. рукавички, що витримують температуру від -40 до 108 °С та не викликають алергіч. реакцій.

Магнітні піни — спінені полімери, що містять у стінках між комірками нанорозмірні (від 1–2 до 30–100 нм) магнітні частинки, стабілізовані молекулами поверх­нево актив. речовин (див. Магнітні матеріали). Основою твердої магніт. піни є різноманітні спінені полімерні маси (на основі ПУ, ПЕ, ПС, ПВХ тощо). Як магніт. компонент, що вводять від 2-х до 30-ти мас. %, використовують наночастинки феромагніт. металів (Fe, Co, Ni), магнітно мʼяких сплавів (зокрема й сплавів систем Fe–Si–B–Cu–Nb, Fe–Zr–Nb–B–Cu), а також магнітно жорстких матеріалів (напр., ферити) і сплавів (зокрема й сплавів систем Nd–Fe–B, Sm–Co, Sm–Fe) на основі сполук з високою магнітнокри­сталіч. анізотропією (Nd₂Fe₁₄B, SmCo₅, Sm₂Fe₁₇C₉). Завдяки низькій щільності (від 20 кг/м³ і менше) магнітні піни проявляють плавучість при не­знач. вбиран­ні води, мають високі теплоізоляц. властивості та здатність до по­глина­н­ня радіохвиль в широкому діапазоні ви­промінювань (від 105 до 1012 Гц). Наявність феромагніт. часток до­зволяє за­стосовувати магнітні піни для очище­н­ня водо­ймищ від гідрофоб. за­бруднень. Під дією зовн. магніт. поля піну легко пере­міщувати поверх­нею водо­ймища, концентруючи її на мін. ділянці з на­ступним транс­портува­н­ням до спеціально обладнаних сховищ. Видале­н­ня дефіцит. магніт. матеріалів з від­працьованої піни здійснюють стандарт. методами магніт. сепарації, а для десорбції твердої магніт. піни за­стосовують промива­н­ня роз­чин­никами.

Завантажити статтю