Nowy materiał stosowany w lotnictwie pełni podwójną funkcję – strukturalną i elektryczną
W przemyśle transportowym, a szczególnie w lotnictwie, poszukiwania nowych, spełniających najwyższe standardy materiałów nigdy nie ustają. Niegdyś warunki te oznaczały materiał lekki i wytrzymały, ale obecnie należy również uwzględnić aspekt ekologiczny. Obecnie wytrzymałe materiały mają być częścią układów elektrycznych i zasilania, więc przemysł transportowy ceni sobie materiały mające wszystkie wymienione właściwości oraz cechujące się przewodnictwem elektrycznym. Idealny materiał byłby zatem przędzą wykonaną z nanorurek węglowych (CNT). Rurki te mają średnicę mieszczącą się w przedziale 2–10 nm i są wykonane ze zrolowanego arkusza węgla. Taka przędza byłaby mocna, wytrzymała i przewodziłaby prąd elektryczny, zaś materiał wykonany na jej bazie mógłby pełnić jednocześnie funkcję strukturalną oraz przewodnika prądu elektrycznego. Co więcej, w obu przypadkach jego parametry byłyby lepsze niż stosowanych dotychczas materiałów. Stosowanie przędzy CNT w tej podwójnej roli pozwoliłoby wyeliminować duplikowanie obwodów i w efekcie prowadziłoby do zmniejszenia masy maszyny. Jednakże, mimo ostatnich postępów poczynionych w zakresie syntezy włókna, wytwarzanie z niej w skali makro tkanin, które miałyby odpowiednie właściwości mechaniczne, jest niezmiernie trudne. Właściwości takie zależą od układu pojedynczych rurek, a kontrolowanie tego parametru jest bardzo skomplikowane.
Nowe metody rozwiązywania problemu wyrównania
Podjęty przy wsparciu działania „Maria Skłodowska-Curie”, finansowany przez Unię Europejską projekt ENERYARN miał na celu zajęcie się tą kwestią. Zespół pracujący nad projektem opracował strategie rozciągania przędzy oraz nowe metody badania materiałów kompozytowych charakteryzujących się zdolnością magazynowania energii. Nowe metody odnosiły się bezpośrednio do problemu wyrównania. Z ich pomocą badacze zdołali wykazać, że materiały wykonane z wielu włókien CNT mogą łączyć w sobie właściwości niezbędne z punktu widzenia przemysłu lotniczego i pełnić rolę elementów strukturalnych oraz elektrycznych. Włókna CNT przygotowane w ramach projektu ENERYARN różnią się zasadniczo od zwykłych włókien węglowych. „Włókna te są wykonane z tysięcy bardzo długich rurek CNT, które rosną stale w reaktorze fazy gazowej. Ich splecenie trwało zaledwie kilka sekund”, wyjaśnia dr Anastasiia Mikhalchan, która również pracowała nad tym projektem. „Zoptymalizowaliśmy warunki syntezy do stopnia, w którym mogliśmy zbierać przędzę z CNT z prędkością kilku kilometrów na godzinę. Jednocześnie kontrolowaliśmy rodzaje nanorurek – jedno- i wielościennych – z których powstawała przędza.
Najlepsze materiały mają liczne zastosowania
Główną zaletą nowego procesu syntezy jest możliwość bezpośredniego wytwarzania samodzielnych materiałów przez łączenie włókien aerożelu podczas nawijania. Uzyskana w ten sposób materia jest elastyczna i ma rozmiar umożliwiający jej obróbkę. Materiał taki można także wykorzystać przy wytwarzaniu elektrod oraz nowych akumulatorów i nadkondensatorów. Uzyskane włókna charakteryzują się przewodnością elektryczną i cieplną ponad 100 razy większą niż w przypadku zwykłych włókien węglowych. Kolejną zaletą opracowanej tkaniny jest możliwość wytwarzania jej z metanu, głównego składnika gazu ziemnego. To zaś oznacza, że materiał ten, nie dość, że ma wiele zastosowań, to jeszcze spełnia warunek wytwarzania w sposób zrównoważony. Co istotne, wykorzystanie przędzy CNT w charakterze przewodników (i zastąpienie nimi sztywnych, metalowych płytek) sprawi, że wykonane z nich elektrody będą elastyczne, trwałe i bardziej wytrzymałe. „Udało się nam zademonstrować, że zintegrowanie tkaniny z włókien CNT pozwoliło uzyskać mocne, trwałe i lekkie elektrody, które mogą znaleźć zastosowanie w innowacyjnych projektach akumulatorów i nadkondensatorów”, dodaje Mikhalchan. „To obszar niezmiernie interesujący tak dla badaczy, jak i dla przemysłu. Jednocześnie nasze tkaniny okazały się lepsze niż produkty konkurencji”. Badacze zajęli się też kwestią praktyczną – zwiększenia ilości uzyskanej przędzy CNT z laboratoryjnej do półprzemysłowej. Badania przeprowadzone w czasie trwania projektu pozwoliły poprawić wytrzymałość tkaniny CNT na zrywanie aż czterokrotnie. Niedawno powstały jej odpowiedniki przeznaczone na rynek. Kolejnym krokiem będzie współpraca z partnerami przemysłowymi z całego łańcucha dostaw, by wykorzystać efekty prac prowadzonych w ramach projektu ENERYARN. Od jego zakończenia badacze współpracują z jednym z głównych producentów samochodów, zainteresowanym wprowadzeniem włókien CNT jako elementów konstrukcyjnych samochodów elektrycznych.
Słowa kluczowe
ENERYARN, CNT, tkanina, przędza CNT, lotnictwo, materiał o wysokiej wytrzymałości, nanourka węglowa, aerożel, włókno, tkaniny półprzemysłowe
