Углеродные нанотрубки с B_xC-нанобугорками — идеальные армирующие наполнители для композитов

С одной стороны, такие параметры углеродных нанотрубок, как высокое аспектное число (отношение длины к диаметру нанотрубки), большой модуль Юнга и низкая плотность, обещают их выгодное применение в качестве армирующих наполнителей композиционных материалов. С другой стороны, слабая связь между относительно "инертными" углеродными нанотрубками и композитной матрицей ограничивает возможную механическую прочность композита. Многочисленные эксперименты показали, что в процессе нагружения нанотрубки выталкиваются из матрицы, а не разрушаются внутри нее. Исследованы различные способы улучшения связи нанотрубки с матрицей. Один из них — нанесение на нанотрубки металлических или оксидных покрытий. Это улучшает связь, но только к внешнему слою многостенных нанотрубок, в то время как взаимодействие между внутренними слоями попрежнему определяется слабыми силами Ван дер Ваальса. Под действием растягивающего напряжения нарушается целостность многостенных нанотрубок с покрытиями — внешний слой снимается, как футляр. Было бы желательно обеспечить связь с матрицей и для внутренних слоев.

Для решения этой задачи Lao et al [1] предложили использовать твердофазную реакцию между бором и углеродными нанотрубками, приводящую к образованию на поверхности нанотрубок нанобугорков из карбида бора (B_xC). Образовавшиеся нанобугорки прочно связывают нанотрубки с матрицей. Оказалось, что изолированные нанобугорки предпочтительнее сплошного покрытия, причем они связывают и внутренние слои нанотрубок. Карбид бора является соединением с ковалентным типом связи, это материал с исключительной твердостью (уступает только алмазу и BN), отличными механическими, термическими и электрическими свойствами. По мнению авторов, связь между B_xC и нанотрубками также может быть ковалентной, что важно для улучшения механических свойств композита.

В эксперименте многостенные углеродные нанотрубки были получены методом химического осаждения паров. В качестве источника бора был использован MgB₂(ставший широко известным и как перспективный сверхпроводник). Обычно бор реагирует с углеродом при температуре выше 1300ºС, но при разложении порошка MgB₂(~600ºС) образуется химически более активный B, взаимодействующий с углеродной нанотрубкой при более низких температурах. Нанотрубки были осторожно перемешаны с порошком MgB₂, завернуты в Та фольгу и подвергнуты термообработке в вакуумной печи при 1100ºС — 1150ºС в течение 2 часов. В результате образовались нанобугорки B_xC желаемой морфологии, а не сплошной слой.

На рисунке показаны углеродные нанотрубки до (а) и после (b) образования бугорков B_xC. Средний размер бугорков около 80 нм, в 2-3 раза больше диаметра нанотрубок. Плотность бугорков на нанотрубке изменяется значительно по ее длине, расстояния между ними варьируются от 30 до 500 нм. Реакция между бором и углеродной нанотрубкой сильно локализована и поэтому основная структура многостенной нанотрубки остается неизменной. Поверхностной диффузии бора при этом не наблюдается, граница между нанобугорками и углеродными нанотрубками резкая. Поскольку химическая связь, по-видимому, является ковалентной, она мешает разрыву по границе раздела фаз при приложении нагрузки.

Можно ожидать, что многостенные углеродные нанотрубки с нанобугорками из карбида бора будут идеальными упрочняющими наполнителями. К сожалению, полученного материала было недостаточно для исследования его механических свойств. Авторы надеются получить большее количество материала после оптимизации процесса синтеза.
1. Appl. Phys. Lett., 2002, 80(3), 500-502
О. Алексеева