Надлегкі матеріали — Енциклопедія Сучасної України

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. об'єму заповнених повітрям порожнин, заг. пористості q (віднос. щільності ρ*/ρs=1-q, де ρ* – щільність пористого матеріалу, ρs – 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 пром-сті 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. т-ри (240 °C) забезпечувало його видалення з гелю, що не зменшувався в об'ємі 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 вироб-ві 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. ун-ту та Тех. ун-ту Гамбурґа (Німеччина). Є високопористим матеріалом чорного кольору, може набувати різних форм, займаючи об'єм у декілька кубіч. сантиметрів. Структура аерографіту – взаємозв'язана сітка вуглецевих трубок діаметром декілька мкм і товщиною стінок бл. 15 нм. Стінки трубок часто переривчасті та мають склад­часті зони, що підвищує еластичність матеріалу. Зв'язки 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 вироб-ві 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 зв'язаних 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. ун-ту. 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. вироб-вах 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 розм'як­шену 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 т-ру 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 м'яких 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.

Літ.: S. S. Kistler. Coherent Expanded Aerogels and Jellies // Nature. 1931. Vol. 127; R. W. Pekala. Organic aerogels from the polycondensation of resorcinol with for­maldehyde // J. of Materials Science. 1989. Vol. 24(9); Бякова О. В., Скороход В. В., Юркова О. І. Спінені та високопористі матеріали з комірковою структурою. К., 2011; M. Mecklenburg et al. Aerographite: Ultra Lightweight, Flexible Nanowall, Car­bon Microtube Material with Outstanding Mechanical Performance // Advanced Ma­terials. 2012. Vol. 24(26); N. Chen, Q. Pan. Versatile Fabrication of Ultralight Magnetic Foams and Application for Oil–Water Se­paration // ACS Nano. 2013. Vol. 7(8); X. Zheng, L. Howon, H. W. Todd et al. Ultra­light, ultrastiff mechanical metama­terials // Science. 2014. Vol. 344; M. G. Rashed, M. Ashraf, R. A. W. Mines, P. J. Hazell. Metallic microlattice materials: A current state of the art on manufacturing, me­cha­nical properties and applications // Mate­rials & Design. 2016. Vol. 95.

О. В. Бякова

Статтю оновлено: 2020

Покликання на статтю
О. В. Бякова . Надлегкі матеріали // Енциклопедія Сучасної України: електронна версія [веб-сайт] / гол. редкол.: І.М. Дзюба, А.І. Жуковський, М.Г. Железняк та ін.; НАН України, НТШ. Київ: Інститут енциклопедичних досліджень НАН України, 2020. URL: https://esu.com.ua/search_articles.php?id=70881 (дата звернення: 23.10.2021)