Ученые КНЦ РАН получили новый композит: нанопокрытия из карбида вольфрама на углеродном волокне с управляемой твердостью

Исследователи Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева и Института проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра РАН разработали метод, позволяющий «одеть» углеродные нити в нанодоспехи из карбида вольфрама и управлять их твердостью, меняя условия синтеза.

Углеродное волокно – легкий и прочный материал, востребованный в современной энергетике и при создании сверхчувствительных сенсоров, а также в других областях науки и техники – например, в авиа‑ и ракетостроении, производстве биомедицинских устройств и т.д. Карбид вольфрама отличается высокой твердостью, каталитическими и электрокаталитическими свойствами. Композит, полученный путем объединения этих компонентов, отличается целым рядом ценных свойств. При этом для эффективной работы материала критически важно, чтобы его 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», которое помещали в солевую ванну – смесь хлоридов натрия и калия с вольфрамсодержащей солью, контактирующей с металлическим вольфрамом. Температуру солевого расплава варьировали в диапазоне 750–900 °C.

В зависимости от условий эксперимента на поверхности волокон формировались покрытия и кристаллы карбидов вольфрама. При использовании бестоковых режимов преимущественно формировался монокарбид вольфрама (WC), который образовывал покрытие на поверхности волокна, обладающего максимальной жесткостью. Полученное покрытие отличалось малой толщиной (десятки нанометров) и равномерностью. При этом волокна не слипались и полностью сохраняли свою исходную структуру. При использовании импульсного или гальваностатического режима доля другой, более «мягкой» фазы (W₂C), возрастает до 65%. Кристаллы полукарбида вольфрама формируются на поверхности углеродных волокон с размерами несколько сотен нанометров.

Зачем это нужно? Разные задачи требуют разных свойств материала. Чтобы выдержать экстремальные механические нагрузки (например, в микросенсорах или износостойких деталях), нужна максимальная жесткость. В таком случае целесообразнее выбрать бестоковый режим. Гальваностатический режим, в свою очередь, оправдан в случаях, когда в приоритете находятся иные характеристики покрытий, например, их фазовый состав или морфология – такое нужно, если материал будет работать как основа для химического катализатора. Таким образом, один и тот же технологический процесс позволяет «настроить» получение композита под конкретную задачу, переключая режим.

Модуль упругости, характеризующий жесткость материала, удалось плавно изменять от 672 до 524 ГПа. Результат подтвержден методами рентгенофазового анализа, сканирующей электронной микроскопии и наноиндентирования. Созданные 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 получает дальнейшее развитие, – рассказал научный сотрудник ИХТРЭМС КНЦ РАН Владимир Долматов. – Ранее нам удалось получить карбиды тантала, ниобия, молибдена и хрома. Сейчас 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 – в частности, в реакции разложения пероксида водорода.

Исследование выполнено при поддержке Минобрнауки России в рамках деятельности Инжинирингового центра технологий добычи и комплексной экологически сбалансированной переработки твердых полезных ископаемых Российской Арктики.

Результаты работы опубликованы в журнале Russian Chemical Bulletin.

Изображение: КНЦ РАН

Источник: Минобрнауки России