Ученые КНЦ РАН получили новый композит: нанопокрытие из карбида вольфрама на углеродном волокне

Специалисты Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева и Института проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра РАН (КНЦ РАН) разработали метод, позволяющий покрывать углеродные нити нанооболочкой из карбида вольфрама, а также управлять их твердостью, меняя условия синтеза. Результаты работы открывают путь к созданию новых микросенсоров и катализаторов.

Углеродное волокно — легкий и прочный материал, востребованный в современной энергетике при создании сверхчувствительных сенсоров, а также в других областях науки и техники, например, в авиа- и ракетостроении, производстве биомедицинских устройств. Однако на его свойства сильно влияют условия эксплуатации, в том числе температура окружающей среды. Для расширения возможностей материала исследователи предложили покрывать углеродные нити тонким слоем карбида вольфрама — соединения, известного высокой твердостью и каталитической активностью. Композит, полученный путем объединения этих компонентов, отличается целым рядом ценных свойств.

Для получения композита исследователи использовали электрохимический синтез в расплаве солей при температуре от 750 до 900 °C. В зависимости от режима обработки на поверхности углеродных волокон формировались разные фазы карбида 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), возрастала до 65 %. Кристаллы полукарбида вольфрама формировались на поверхности углеродных волокон с размерами несколько сотен нанометров.

Авторы отмечают — 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.

«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», — рассказал один из авторов исследования, научный сотрудник лаборатории высокотемпературной химии и электрохимии Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН, кандидат химических наук Владимир Долматов.

По словам исследователей, созданные композиты готовы к использованию в качестве основы для селективных сорбентов, молекулярных сит и высокоактивных электрокатализаторов.

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

Источник: Официальный ресурс Министерства науки и высшего образования Российской Федерации