Учёные получили композит: углеродное волокно с покрытием из карбида вольфрама

Метод позволяет покрывать углеродные нити слоем карбида вольфрама и задавать жёсткость покрытия, меняя условия синтеза: модуль упругости менялся от 672 до 524 ГПа.

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 покрытия углеродных нитей слоем карбида вольфрама. Меняя условия синтеза, можно задавать твёрдость такого покрытия. Результаты опубликованы в журнале Russian Chemical Bulletin и открывают путь к созданию новых микросенсоров и катализаторов.

Углеродное волокно лёгкое и прочное. Его применяют в энергетике, при создании сверхчувствительных сенсоров, в авиа- и ракетостроении, производстве биомедицинских устройств. Карбид вольфрама отличается высокой твёрдостью и каталитическими свойствами. Для эффективной работы композита критически важно, чтобы покрытие имело строго заданные механические свойства.

Композиты получили электрохимическим синтезом в расплаве солей. Углеродное волокно марки «Карбопон В-22» помещали в солевую ванну: смесь хлоридов натрия и калия с вольфрамсодержащей солью, которая контактировала с металлическим вольфрамом. Температуру расплава меняли в диапазоне 750–900 °C.

В бестоковом режиме преимущественно формировался монокарбид вольфрама (WC). Он образовывал на волокнах тонкое равномерное покрытие толщиной в десятки нанометров; волокна при этом не слипались и сохраняли исходную структуру. Такое покрытие обладает максимальной жёсткостью. При импульсном или гальваностатическом режиме доля более «мягкой» фазы W₂C возрастала до 65%. На поверхности волокон формировались кристаллы полукарбида вольфрама размером несколько сотен нанометров.

Режим выбирают под задачу. Для экстремальных механических нагрузок, например в микросенсорах или износостойких деталях, нужна максимальная жёсткость, поэтому целесообразнее бестоковый режим. Гальваностатический режим оправдан, когда важны фазовый состав или морфология покрытия, например если материал будет основой химического катализатора. Так один процесс позволяет «настроить» композит, переключая режим.

Модуль упругости, который характеризует жёсткость материала, удалось плавно менять от 672 до 524 ГПа. Результат подтверждён рентгенофазовым анализом, сканирующей электронной микроскопией и наноиндентированием. Созданные композиты готовы к использованию в качестве основы для селективных сорбентов, молекулярных сит и высокоактивных электрокатализаторов.

Научный сотрудник ИХТРЭМС КНЦ РАН Владимир Долматов рассказал, что работа продолжает исследования осаждения карбидов тугоплавких металлов на углеродных волокнах в расплавленных солях. Он также назвал электрокаталитическую активность композитов особой ценностью, в частности в реакции разложения пероксида водорода.

Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках деятельности Инжинирингового центра технологий добычи и комплексной экологически сбалансированной переработки твёрдых полезных ископаемых Российской Арктики.

РАН