Международная группа физиков из Института Карнеги в Вашингтоне, а также Китайского университета Яньшаня недавно разработала инновационный материал, представляющий собой углерод в своей принципиально новой структурной форме. Данное новое соединение обладает большой прочностью и эластичными свойствами, сопоставимыми с характеристиками резины. Кроме того, новый вид углерода способен проводить свет и электрический ток, что открывает широкие перспективы его применения в различных сферах — от космической и военной техники до бытовых устройств. Материал был получен путем воздействия высокого давления и температур на стеклоуглерод — аморфную форму углерода с неупорядоченной структурой. Этот исходный материал был помещен под давление в 250 тысяч раз превосходящее атмосферное давление и нагрет до температуры порядка тысячи градусов Цельсия.

При таких условиях атомы углерода формируют цепочки, соединяющиеся друг с другом различными способами. И в результате возникает форма углерода, одновременно имеющая свойства графита и алмаза.

Получение новой формы углерода стало результатом целого ряда экспериментов. В одних экспериментах ученые подвергали стеклоуглерод воздействию высокого давления при комнатной температуре, а в других – просто нагревали углерод до сверхвысоких температур. Получившийся в результате первых опытов материал абсолютно не имел упругости и не был способен восстанавливать свою форму даже после незначительной деформации. А во втором случае внутри алмазом начинали образовываться алмазные нанокристаллы.

И в результате одного из промежуточных экспериментов, в котором использовался нагрев до умеренно высокой температуры, ученые получили новый углеродный материал, способный сжиматься более чем в два раза сильнее, нежели другие углеродные керамические материалы. Более того, новый упругий углерод полностью способен восстанавливать свою изначальную форму в месте достаточно сильных локальных деформаций.

“Легкие материалы, обладающие высокой прочностью и эластичностью, требуются в самых различных областях. В некоторых случаях эти материалы применяются на практике, несмотря на их высокую стоимость, на первый план здесь выходит малый вес и другие уникальные свойства таких материалов” – рассказывает Жишенг Жао (Zhisheng Zhao), профессор из университета Яньшаня.

Для любознательных

В России разработкой углеродных материалов с высокими упругими и тепловыми свойствами активно занимается химико-технологический кластер «Росатома», в частности — научно-исследовательский центр и предприятия под управлением АО «НПК «Химпроминжиниринг» (бренд UMATEX Group).

Они разработали уникальное углеволокно на основе мезофазного пека, которое обладает:

• высочайшей теплопроводностью — до 1000 Вт/(м·К), что в 3 раза выше, чем у меди;
• минимальным температурным расширением — практически не деформируется при перепадах температур от –170 °C до +170 °C;
• высоким модулем упругости, что делает его чрезвычайно жёстким и устойчивым к нагрузкам.

Этот материал идеально подходит для космической отрасли — например, для создания солнечных парусов, спутниковых антенн, рефлекторов, корпусов орбитальных станций и охлаждающих поверхностей для ядерных энергоустановок.

Ключевые предприятия в России:

1. Научно-исследовательский центр UMATEX (Москва) — разработка технологий получения углеродного волокна.
2. ООО «АЛАБУГА-ВОЛОКНО» (Елабуга, Татарстан) — крупнейшее производство углеволокна в России, мощностью более 1400 тонн в год.
3. ООО «Аргон» (Балаково) — производство углеродных материалов.
4. ООО «ЗУКМ» (Челябинск) — выпуск высокомодульных углеволокон и композитов.

В мире:

Единственная страна, которая ранее владела аналогичной технологией, — Япония. Там углеволокно на основе мезофазного пека производится уже около 40 лет, но российским учёным удалось достичь сопоставимых характеристик всего за 3,5 года.

Такие материалы также разрабатываются в:

• США — компаниями Mitsubishi Chemical Carbon Fiber & Composites (через подразделения в США) и Grafil, Inc.;
• Германии — SGL Carbon;
• Великобритании — Toho Tenax и исследовательские центры при университетах (например, Университет Манчестера).

Однако российская разработка выделяется стратегической автономией и потенциалом для импортозамещения в высокотехнологичных отраслях. При достаточном финансировании промышленное производство может быть запущено в течение 3–5 лет.