Исследователи из Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева и Института проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра РАН разработали инновационный метод, позволяющий «одеть» углеродные нити в нанодоспехи из карбида вольфрама, управляя их твердостью путем изменения условий синтеза. Данная работа открывает новые горизонты для создания микросенсоров и катализаторов, о чем сообщается в новостях КНЦ РАН.
Углеродное волокно, обладающее легкостью и прочностью, находит широкое применение в энергетике, а также при создании сверхчувствительных сенсоров. Этот материал также востребован в авиа- и ракетостроении, а также в производстве биомедицинских устройств. В то же время карбид вольфрама славится своей высокой твердостью и уникальными каталитическими свойствами. Композит, созданный на основе этих компонентов, сочетает в себе множество ценных характеристик, однако для его эффективной работы крайне важно, чтобы покрытие имело строго заданные механические свойства.
Российские ученые получили композиты с помощью электрохимического синтеза в расплаве солей. В качестве основы использовали углеродное волокно марки «Карбопон В 22», помещая его в солевую ванну, состоящую из смеси хлоридов натрия и калия с вольфрамсодержащей солью. В процессе синтеза температура солевого расплава варьировалась в диапазоне от 750 до 900 °C.
В зависимости от условий эксперимента на поверхности углеродных волокон формировались покрытия и кристаллы карбидов вольфрама. При использовании бестоковых режимов преимущественно образовывался монокарбид вольфрама (WC), который создавал покрытие с максимальной жесткостью. Данное покрытие отличалось малой толщиной (всего десятки нанометров) и высокой равномерностью, при этом волокна не слипались и полностью сохраняли свою первоначальную структуру. В то время как при использовании импульсного или гальваностатического режима, доля более «мягкой» фазы (W₂C) могла увеличиваться до 65%. Кристаллы полукарбида вольфрама формировались на поверхности углеродных волокон с размерами, достигающими нескольких сотен нанометров.
Так для чего же нужны эти новые материалы? Разные задачи требуют различных свойств композита. Например, для выдерживания экстремальных механических нагрузок, таких как в микросенсорах или износостойких деталях, необходима максимальная жесткость. В этом случае целесообразно выбирать бестоковый режим. С другой стороны, гальваностатический режим оправдан тогда, когда в приоритете находятся иные характеристики покрытий, такие как их фазовый состав или морфология, что важно для работы материала в качестве основы для химического катализатора. Таким образом, один и тот же технологический процесс можно «настроить» под конкретные задачи, переключая режимы синтеза.
Модуль упругости, который характеризует жесткость материала, удалось плавно изменять в пределах от 672 до 524 ГПа. Эти результаты были подтверждены с использованием рентгенофазового анализа, сканирующей электронной микроскопии и наноиндентирования. Разработанные композиты готовы к использованию в качестве основы для селективных сорбентов, молекулярных сит и высокоактивных электрокатализаторов.
«Наше исследование по осаждению карбидов тугоплавких металлов на углеродных волокнах в расплавленных солях продолжает развиваться», – прокомментировал научный сотрудник ИХТРЭМС КНЦ РАН Владимир Долматов. – «Ранее нам удалось получить карбиды тантала, ниобия, молибдена и хрома. Теперь мы представили результаты работы с карбидами вольфрама, а в ближайшее время планируем опубликовать данные по карбидам титана. Особую ценность получаемым композитам придает их электрокаталитическая активность, особенно в реакции разложения пероксида водорода».
Исследование проводилось при поддержке Министерства науки и высшего образования России в рамках деятельности Инжинирингового центра технологий добычи и комплексной экологически сбалансированной переработки твердых полезных ископаемых Российской Арктики.