Gli scienziati della MISIS University e Skoltech hanno sviluppato una tecnologia per la produzione di un nuovo materiale composito a base di shungite e fibre di carbonio in una matrice di grafite. Grazie alla combinazione di bassa densità, alta resistenza e stabilità chimica a temperature elevate, può essere utilizzato per produrre celle a combustibile, supercondensatori e componenti di motori aeronautici di nuova generazione. Il lavoro è stato pubblicato in Polimeri .

I compositi con cariche di carbonio sono ampiamente utilizzati nell'industria moderna. Possono essere utilizzati per la produzione di unità e apparecchiature che operano in condizioni estreme, grazie alle loro proprietà uniche:elevata resistenza agli agenti chimici e alla temperatura. A differenza dei metalli refrattari pesanti che si ossidano facilmente a temperature elevate, i materiali in carbonio hanno un'eccezionale resistenza alle alte temperature e un peso ridotto. Allo stesso tempo, le proprietà dei diversi materiali di carbonio variano molto, dal diamante alla grafite.

Gli scienziati dei materiali stanno ora sviluppando una nuova classe di compositi costituita da vari riempitivi di rinforzo del carbonio in una matrice di grafite ottenuta mediante carbonizzazione, ovvero la trasformazione di un polimero in un materiale di carbonio.

Gli scienziati della MISIS University e Skoltech hanno presentato la tecnologia per la produzione rapida ed economica di un tale composito e hanno identificato i parametri ottimali per il trattamento termico per ottenere le migliori prestazioni in termini di "resistenza alle crepe", ovvero resistenza all'inizio e alla propagazione di crepe che determina in gran parte la resistenza per materiali fragili e quasi fragili.

Il processo di sintesi del composito è simile alla "cottura" di un "impasto" costituito da un elastomero (un polimero del tipo di gomma morbida) rinforzato con un "ripieno" a diverse temperature superiori a 180 ºC. La fibra corta di carbonio spesso usata come "ripieno" è però piuttosto costosa e il suo volume disponibile è limitato. Pertanto, nel nuovo materiale le fibre corte di carbonio sono state parzialmente sostituite all'importazione con shungite. La shungite è una roccia precambriana unica, composta da quasi il 100% di carbonio, scoperta per la prima volta in Russia.

Il risultato della lavorazione è l'arricchimento del prodotto iniziale con carbonio accompagnato da una contemporanea ristrutturazione. Il polimero facilmente modellabile viene così trasformato in uno dei composti di carbonio più stabili, come la grafite o il diamante. Data la rigidità unica di questi materiali, è quasi impossibile lavorare le parti necessarie dalla grafite o dal diamante.

"Lo scopo di questo studio era di ottimizzare il processo di carbonizzazione per aumentare la resistenza alla cricca in funzione della temperatura di lavorazione e della composizione iniziale della miscela, ovvero la frazione in volume delle fasi di rinforzo. È stata intrapresa un'attenta selezione delle condizioni per ottenere i valori più elevati del fattore critico di intensità dello stress nei campioni carbonizzati alla temperatura di 280 gradi Celsius", afferma Alexey Salimon, Ph.D, coautore e capo del Dipartimento di chimica fisica.

I ricercatori si aspettano che i materiali ottenuti trovino impiego per la produzione di parti chiave di celle a combustibile (dispositivi per la conversione diretta dell'energia chimica del combustibile in energia elettrica senza combustione), componenti di apparecchiature chimicamente resistenti, complesse apparecchiature di pompaggio per la produzione di petrolio a profondità record e nelle condizioni più difficili (sabbia, acido solfidrico, temperatura oltre i 200 gradi Celsius). Un'altra area promettente per l'uso di nuovi materiali sarà la creazione di una nuova generazione di componenti per motori aeronautici. + Esplora ulteriormente

I ricercatori sviluppano un nuovo processo per la produzione di compositi carbonio-carbonio resistenti al calore estremo