Ученые в Университете Райса (Хьюстон, штат Техас, США) создали новый эпоксидный состав для применения в электронике, объединив его с графеновой пеной для получения прочного токопроводящего композиционного материала.
По словам представителей университета, их эпоксидный состав, объединенный со сверхжесткой графеновой пеной, полученной в химической лаборатории профессора Джеймса Тура, оказался более прочным, чем чистая эпоксидная смола, и обладающим большей электропроводностью, чем другие эпоксидные композиты, при этом сохраняя низкую плотность. Они утверждают, что состав может улучшить характеристики используемых в настоящее время эпоксидных смол благодаря добавлению проводящих наполнителей.
Сама по себе эпоксидная смола является изолятором и зачастую используется в покрытиях, адгезивах, электронике, промышленных инструментах и конструкционных композитах. Металлические или углеродные наполнители часто добавляют для получения проводимости, например, при экранировании от электромагнитного поля. Однако наполнители обеспечивают проводимость, при этом добавляя вес и снижая прочность при сжатии, поэтому композит становится сложнее обрабатывать.
Чтобы справиться с этой проблемой, в Университете Райса решили заменить металлический или углеродный порошок на трехмерную пену, изготовленную из наноразмерных листов графена, форма углерода толщиной с атом. По новой схеме создается матрица из полиакрилонитрила (PAN), порошкообразной полимерной смолы, используемой в качестве источника углерода, которые смешиваются с никелевым порошком. Процесс состоит из четырех этапов: материалы подвергаются холодному прессованию, чтобы сделать их плотными, затем их нагревают в печи, чтобы получить из полиакрилонитрила графен, затем полученный материал проходит химическую обработку для удаления никеля, после чего используют вакуум, чтобы вытянуть эпоксидную смолу в получаемый пористый материал.
«Графеновая пена — это цельный материал, состоящий из нескольких слоев графена», — говорит Тур. «Таким образом, в действительности вся пена представляет собой одну большую молекулу. Когда эпоксидная смола попадает в пену и затвердевает, любой изгиб эпоксидной смолы в одном месте оказывает нагрузку на весь монолит в разных точках из-за включенной графеновой матрицы. В результате, вся структура становится жесткой».
Композиты в форме шайбы с 32% пены были немного более плотными, но их электропроводность составляла около 14 См/см. Пена не добавила существенного веса, но придала составу в семь раз больше прочности при сжатии по сравнению с чистой эпоксидной смолой. Простота сцепления с эпоксидным составом также способствовала стабилизации структуры графена. «Когда эпоксид проникает в графеновую пену и затвердевает, он оказывается заключенным в пустотах графеновой пены размером в несколько микрон», — говорит Тур.
Затем специалисты ввели многостеночные углеродные нанотрубки в графеновую пену. Нанотрубки действовали как стержневая арматура, соединяясь с графеном для образования композита, на 1,732% более жесткого, чем чистый эпоксид, и почти в три раза более электропроводного (примерно 41 См/см). По сведениям исследователей, это значение выше, чем у большинства эпоксидных составов с матрицами на данный момент.
Тур рассчитывает, что данный процесс будет использоваться в промышленных масштабах. «Для изготовления готового изделия нужна только достаточно большая печь», — говорит он. «Но для производства крупных металлических деталей методом холодного прессования с последующим нагревом они используются постоянно». Тур полагает, что материал может заменить углеродные композиционные смолы, применяемые для предварительной пропитки и армирования тканей, используемых в различных материалах.
