13.5.6. Механическое упрочнение материалов

Использование длинных углеродных волокон, таких как полиакрилнитрил, является отработанной технологией увеличения прочности пластиковых композитов. Полиакрилнитрил имеет прочность на разрыв порядка 7 ГПа и диаметр волокон 1~10 микрон. Применение волокон для упрочнения требует разработки методов их равномерного распределения и ориентирования в нужном направлении в материале. Волокно должно выдерживать воздействия, возникающие при обработке. Важными параметрами, определяющими эффективность упрочнения композита волокнами полиакрилнитрила, являются прочность волокна на разрыв, относительная удлиняемость при нагрузке, способность волокна к деформированию в матрице.

Из-за высокой прочности на разрыв и большой величины отношения длина/диаметр углеродные нанотрубки должны оказаться очень хорошим материалом для упрочнения композитов. В этой области проведена уже обширная работа. Например, в исследовательском центре GM-DAT показано, что добавка 11,5 вес. % многослойных углеродных трубок диаметром 0,2 микрона к полипропилену приводит к удвоению его прочности на разрыв. В то же время исследователи Токийского университета показали, что добавление 5 об. % к алюминию также увеличивает прочность материала на разрыв вдвое по сравнению с тем же обработанным Al, но без армирования углеродными нанотрубками. Композиты получали горячим прессованием и горячей экструзией (выдавливание).

Алюминиевая пудра и углеродные нанотрубки смешивались и нагревались до Т = 800 К в вакууме и затем сжимались стальными штампами. После этого из расплава методом экструзии получали стержни конечного продукта.

Исследователи полагают, что, получая более однородное распределение и лучшее упорядочение углеродных нанотрубок в материале, можно достичь существенного увеличения прочности материала на разрыв. Теоретические оценки показывают, что при оптимальной концентрации трубок в материале (~10%) его прочность на разрыв должна увеличиться, как минимум, в 6 раз.

Однако в многослойных нанотрубках существует возможность проскальзывания стенок трубки одна относительно другой при деформации материала и проскальзывании отдельных однослойных нанотрубок в пучке, что может уменьшить реально достижимые значения прочности. Атомно-гладкие поверхности нанотрубок могут привести к их слабому сцеплению с упрочняемым материалом. С другой стороны, углеродные нанотрубки могут образовывать прочные связи с железом, являющимся основным компонентом стали. Данный факт позволяет искать возможность увеличения прочности на разрыв с помощью добавок в углеродные нанотрубки железа.

Рис. 13.15. Зависимость относительной прочности от объемного

содержания нанотрубок в стали

На рис. 13.15 показана расчетная зависимость относительной прочности стали от объемного содержания нанотрубок (диаметр нанотрубок 10 нм и длина 100 мкм). Расчет выполнялся по формуле Келли-Тайсона. Как видно из графика, при содержании 30 об. % нанотрубок в стали ее прочность вырастет примерно в 7 раз. Здесь, однако, следует заметить, что, несмотря на видимую перспективность результатов, предстоит еще много исследований в области совершенствования и дальнейшего развития методов введения нанотрубок в металлы и пластические массы. Такая ситуация обусловлена требованиями масштабного и недорогого способа промышленного производства нанотрубок.