Wetenschappers van MISIS University en Skoltech hebben een technologie ontwikkeld voor de productie van een nieuw composietmateriaal op basis van shungiet en koolstofvezels in een grafietmatrix. Door de combinatie van lage dichtheid, hoge sterkte en chemische stabiliteit bij verhoogde temperaturen, kan het worden gebruikt om brandstofcellen, supercondensatoren en vliegtuigmotorcomponenten van de volgende generatie te produceren. Het werk is gepubliceerd in Polymers .

Composieten met koolstofvulstoffen worden veel gebruikt in de moderne industrie. Ze kunnen worden gebruikt voor de productie van eenheden en apparatuur die onder extreme omstandigheden werken, vanwege hun unieke eigenschappen:hoge chemische en temperatuurbestendigheid. In tegenstelling tot zware vuurvaste metalen die gemakkelijk worden geoxideerd bij verhoogde temperaturen, hebben koolstofmaterialen een uitzonderlijke weerstand tegen hoge temperaturen en een laag gewicht. Tegelijkertijd variëren de eigenschappen van verschillende koolstofmaterialen sterk, van diamant tot grafiet.

Materiaalwetenschappers ontwikkelen nu een nieuwe klasse composieten bestaande uit verschillende koolstofversterkende vulstoffen in een grafietmatrix die wordt verkregen door carbonisatie, d.w.z. transformatie van een polymeer in een koolstofmateriaal.

Wetenschappers van MISIS University en Skoltech hebben de technologie van snelle en economische productie van een dergelijk composiet gepresenteerd en de optimale parameters voor warmtebehandeling geïdentificeerd om de beste prestaties te bereiken in termen van "scheurweerstand" - dat wil zeggen weerstand tegen de initiatie en verspreiding van scheuren die voor een groot deel de sterkte van brosse en quasi-fragiele materialen bepalen.

Het composietsyntheseproces is vergelijkbaar met het "bakken" van een "deeg" gemaakt van een elastomeer (een zacht rubberachtig polymeer) versterkt met een "vulling" bij verschillende temperaturen boven 180ºC. De korte koolstofvezel die vaak als "vulling" wordt gebruikt, is echter vrij duur en het beschikbare volume is beperkt. Daarom werden in het nieuwe materiaal de korte koolstofvezels gedeeltelijk vervangen door shungiet. Shungite is een uniek Precambrium gesteente dat voor bijna 100% uit koolstof bestaat en voor het eerst werd ontdekt in Rusland.

Het resultaat van de verwerking is de verrijking van het oorspronkelijke product met koolstof en gelijktijdige herstructurering. Het gemakkelijk gevormde polymeer wordt daarbij omgezet in een van de meest stabiele koolstofverbindingen, zoals grafiet of diamant. Gezien de unieke stijfheid van deze materialen is het bijna onmogelijk om de noodzakelijke onderdeelvormen uit grafiet of diamant te bewerken.

"Het doel van deze studie was om het carbonisatieproces te optimaliseren om de scheurweerstand te verhogen, afhankelijk van de verwerkingstemperatuur en de initiële mengselsamenstelling, namelijk de volumefractie van de versterkende fasen. Er werd een zorgvuldige selectie van omstandigheden ondernomen om de hoogste waarden te verkrijgen van de kritische stress-intensiteitsfactor in monsters die verkoold zijn bij een temperatuur van 280 graden Celsius", zegt Alexey Salimon, Ph.D, co-auteur en hoofd van de afdeling Fysische Chemie.

De onderzoekers verwachten dat de verkregen materialen zullen worden gebruikt voor de vervaardiging van belangrijke onderdelen van brandstofcellen (apparaten voor directe omzetting van de chemische brandstofenergie in elektrische energie zonder verbranding), componenten van chemisch resistente apparatuur, complexe pompapparatuur voor olieproductie op recorddiepten en in de zwaarste omstandigheden (zand, waterstofsulfide, temperatuur boven 200 graden Celsius). Een ander veelbelovend gebied voor het gebruik van nieuwe materialen is het creëren van een nieuwe generatie vliegtuigmotorcomponenten. + Verder verkennen

Onderzoekers ontwikkelen nieuw proces om extreem hittebestendige koolstof-koolstofcomposieten te vervaardigen