Ученые СПбГУПТД разрабатывают модифицированные углеродными наночастицами композиты с участниками программы «Большие вызовы»
Во время научно-технологической программы «Большие вызовы» в «Сириусе» участники направления «Новые материалы» под руководством ученых кафедры наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А.И. Меоса СПбГУПТД Натальи Лукичевой, Ольги Гладуновой и Вадима Марценюка изучали, как повысить характеристики композиционных материалов с помощью добавления наночастиц с полезными свойствами. Школьники провели эксперимент по модификации материала, состоящего из углеволокна и эпоксидной смолы, наночастицами графена. Этот композит обладает высокой прочностью, твердостью и легкостью, благодаря чему его можно использовать во многих отраслях, особенно в судостроении и космической сфере.
Существующие искусственные и синтетические материалы не всегда соответствуют потребностям, которые выдвигает современная промышленность. Именно поэтому перед учеными СПбГУПТД стоит цель — создавать новые и модифицировать уже существующие, комплексно улучшая их свойства. Решить эту задачу можно за счет введения в состав композита модифицирующих добавок.
Одна из команд программы вместе с наставниками из Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна (СПбГУПТД) работала над образцами углепластика, состоящего из углеродных волокон и эпоксидной смолы, которую модифицировали графеном. Он был получен учеными лишь в 2004 году. Проведенные испытания выявили его феноменальную прочность, что и предопределило повышенный интерес к данному материалу со стороны исследователей в последние два десятилетия.
Участники проекта выдвинули гипотезу, что если непрерывноармированный углекомпозит модифицировать наночастицами графена, можно получить материал с более высокой прочностью. Улучшенные свойства позволят сократить количество армирующих слоев в композите при изготовлении изделия и снизить вес будущей конструкции без потери качества.
Композиционные материалы состоят из нескольких компонентов с различными физическими и химическими свойствами. В зависимости от их комбинаций мы можем получать разные нужные нам характеристики в материале. В рамках этого проекта мы предложили школьникам поэкспериментировать с добавлением наночастиц графена. Основа нашего материала — углеволокно, которое само по себе прочное. Смола скрепляет компоненты композита, образуя его матрицу. Но как самостоятельная единица она довольно хрупкая. Ее свойства можно улучшить, если предварительно модифицировать прочным и легким графеном. Это даст нам возможность создавать прочные материалы без утяжеления всей конструкции».
старший преподаватель кафедры НВКМ имени А.И. Меоса СПбГУПТД Наталья Лукичева
Работа над проектом состояла из нескольких этапов. Сперва ребята исследовали варианты химической и физической подготовки графенов для их последующего введения в связующее — полимерную смолу. Подбирали режимы и технологии введения, изучали изменение свойств полимерной матрицы после наномодификации. После подбора оптимального варианта путем ручной выкладки было изготовлено несколько образцов. Часть из них была подвергнута испытаниям для определения разрывной прочности. А часть исследована на хемо- и водостойкость, также изучена адгезия модифицированного полимерного связующего к углеродным волокнам, в том числе с помощью электронного микроскопа. Проведенные эксперименты показали, что модифицированная смола демонстрирует лучшую адгезию, и добавление графенов в количестве всего 1,0–1,5% повышает прочность на разрыв и твердость полимерной матрицы примерно на 20%.
За время работы над проектом мы изучили две наиболее распространенные технологии производства изделий из композитов — это ручное формование и технологию литья. Мы узнали, как определять хемостойкость матрицы к растворителям. Поняли, что добавление графенов не изменяет гидро- и лиофобность. Узнали, как определять адгезию и вязкость материала. В рамках этого проекта мы работали с различным оборудованием, познакомились с многочисленными лабораторными и аналитическими методами анализа. Это очень большая исследовательская и вместе с тем практико-ориентированная работа».
один из участников проекта, школьник из Ростова-на-Дону Никита Нестеров
На фестивале участники проекта представили изготовленные образцы наномодифицированных композиционных материалов, а также рассказали гостям о потенциальных сферах их применения. Кроме того, школьники подготовили технико-экономическую оценку проекта и оформили результаты исследования физико-механических и химических свойств изготовленных углекомпозитов.
