Применение арамидно-керамических композитов для работы в суровых условиях

Износостойкие, теплоизоляционные материалы, предназначенные для работы в суровых условиях, часто сталкиваются с неожиданными проблемами на этапах разработки и производства. С одной стороны, материал должен сохранять определенные свойства, такие как ударопрочность, но при этом его характеристики часто ухудшаются (в частности, снижается термостойкость) при высоких температурах. Следовательно, создание долговечных теплозащитных текстильных материалов часто требует сложных производственных процессов, включающих сочетание нескольких материалов.

Арамид волокна Благодаря своим превосходным механическим свойствам, они широко используются в защитных целях, например, в снаряжении пожарных и сотрудников экстренных служб. Однако их тепловые характеристики ограничивают их применение; относительно высокая теплопроводность и чувствительная к температуре полимерная природа затрудняют обеспечение адекватной тепловой защиты в широком диапазоне температур при одновременном сохранении высокой механической прочности.

В отличие от них, керамические аэрогели обладают исключительными теплоизоляционными свойствами благодаря своей мезопористой структуре, которая характеризуется высокой удельной поверхностью и низкой плотностью. Однако эти сверхлегкие материалы страдают от механической хрупкости и плохих механических характеристик.

Исследователи из Университета Буффало объединили преимущества обоих материалов для разработки износостойкого арамидно-керамического аэрогелевого нанокомпозита, обладающего выдающимися механическими и термическими свойствами.


На фотографии показан образец нового арамидного аэрогелевого нанокомпозита, лежащий на бутоне цветка, что демонстрирует легкость материала. Эти характеристики делают новый нанокомпозит перспективным кандидатом для недорогого производства носимого текстиля, предназначенного для использования в суровых условиях, включая аэрокосмическую отрасль, электронику и средства индивидуальной защиты.

Группа исследователей под руководством профессора Университета Буффало представила результаты своих исследований усовершенствованного арамидно-керамического аэрогелевого композита, продемонстрировав материал с низкой плотностью (0,08 г·см⁻³), низкой теплопроводностью (0,034 Вт·м⁻¹·К⁻¹) и высокой сжимаемостью, а также прочностью на сжатие 1,1 МПа. Процесс включает в себя получение арамидного аэрогелевого полотна посредством реакции сшивания in situ между арамидные волокна и прекурсоры кремнеземного аэрогеля (HCl, мицеллы CTAB, мочевина и силикат натрия). Компания Nanowerk описывает процесс производства следующим образом: «Мы использовали простую и масштабируемую стратегию изготовления для получения нанокомпозита посредством реакции сшивания in situ между нанопористым кремнеземным аэрогелем и арамидными волокнами; полученные нанокомпозитные волокна образуют трехмерную сеть, соединенную с полой мезопористой кремнеземной матрицей». Структура волокон аэрогеля характеризуется взаимосвязанной пористой сетью и высоким содержанием захваченного воздуха, что обеспечивает композиту из арамидных волокон и аэрогеля исключительные теплоизоляционные свойства даже в экстремальных условиях от -196°C до 400°C.

Ключевым моментом этого метода изготовления является сшивание in situ, происходящее между прекурсорами кремнеземного аэрогеля и арамидными волокнами. В процессе сушки при атмосферном давлении прекурсоры превращаются в нанопористый кремнеземный аэрогель и осаждаются на арамидных волокнах. Арамидные волокна образуют перколяционную сеть, в то время как кремнеземный аэрогель сшивается и осаждается на этой волокнистой сети. Межфазная связь между арамидными волокнами и аэрогелем, образующаяся в процессе гелеобразования, дополнительно предотвращает разрушение волокнистой сети.

Успешно продемонстрировав превосходные свойства этого нанокомпозитного изоляционного материала, команда в настоящее время исследует конкретные области его применения, включая теплоизоляцию и износостойкие системы, ударопрочную броню и конструкционные элементы для применений, чувствительных к высоким температурам.