Учёные создали первые углеродные волокна с однородной пористой структурой

Это изобретение станет прорывом в разработке подобных структур для возможностей накопления энергии

Углеродные волокна, известные как высокоэффективный инженерный материал, широко используются в аэрокосмической и автомобильной промышленности. Одно из применений - это корпуса роскошных автомобилей, таких как Mercedes-Benz, BMW или Lamborghini.

Углеродные волокна, тонкие волосяные нитки углерода обладают множеством основных свойств материала: они являются механически прочными, химически стойкими, электропроводящими, огнестойкими и легкими. Вес углеродных волокон повышает топливную и энергетическую эффективность, производя более быстрые самолеты и транспортные средства.

Гуолян «Грег» Лю, доцент кафедры химии Технологического колледжа Вирджинии, нашёл способ создания углеродных волокон, которые были бы полезны не только по структуре, но и функционально.

Если важной функцией волокон является накопление энергии, то необходимо иметь места для проникновения ионов. Углеродные волокна могут быть спроектированы таким образом, чтобы отверстия очень малого диаметра были равномерно разбросаны по всей поверхности, подобно губке, которая будет накапливать ионы.

Лю также разработал процесс синтеза пористых углеродных волокон с одинаковыми размерами и расстоянием. Он подробно описывает эту работу в недавно опубликованной статье в журнале Science Advances.

Ученые десятилетиями пытались это сделать, но качество и однородность пор в созданных углеродных волокнах оказались неудовлетворительными.

Лю использовал для создания пористых углеродных волокон блок-сополимеры – это многоэтапный химический процесс с использованием длинных, повторяющихся цепочек молекул полиакрилонитрила (ПАН) и полиметилметакрилата (ПММА).

Далее идёт описание сложных химических процессов, которое скорее всего будет неинтересно переработчикам… Но вдруг к нам заглянут химики, а для них польза.

---

ПАН хорошо известен в области химии как соединение-предшественник углеродных волокон, а ПММА действует как материал, удерживающий место, которое позже удаляется для создания пор.

Ранее другие химики обычно смешивали ПАН и ПММА в растворе по отдельности. Это создало пористые углеродные волокна, но с порами разного размера. Накопление энергии можно увеличить с большей площадью поверхности, что происходит с более мелкими однородными порами.

Лю предложил новую идею соединения ПАН и ПММА, создав так называемый блок-сополимер. Одна половина сложного полимера представляет собой ПАН, а другая половина - ПММА, и они ковалентно связаны в середине. Блок-сополимеры были впервые использованы для производства углеродных волокон и наоборот.

После синтеза блок-сополимера в лаборатории вязкий раствор подвергся трем химическим процессам для получения пористых углеродных волокон.

Первым этапом является электроспиннинг, метод, в котором используется электрическая сила для создания волокнистых прядей и затвердевания раствора в подобном бумаге материале. Затем Лю провел процесс окисления при нагревании. На этом этапе ПАН и ПММА естественным образом разделяются и самостоятельно собираются.

На последнем этапе, известном как пиролиз, Лю нагревал полимер до еще более высокой температуры. В течение этого процесса ПАН затвердевал в углерод и удалял ПММА, оставляя позади соединенные мезопоры и микропоры по всему волокну.

---

Хотя это открытие улучшает и без того высокопроизводительный инженерный материал, возможно, ещё большим прорывом является возможность использования блок-сополимеров для создания однородных пористых структур для возможностей накопления энергии.

Phys.org.