В то время как полимерные нанокомпозиты на основе углеродных нанотрубок привлекли огромный интерес научного сообщества, теперь есть доказательства того, что другая нанотрубка – сделанная из нитрида бора – может продемонстрировать еще большую прочность на единицу веса. Данное исследование опубликовано в журнале Applied Physics Letters.

Углеродные нанотрубки обладают очень высокой прочностью, по некоторым оценкам, по крайней мере в 30 раз выше по сравнению с пуленепробиваемым кевларом. При смешивании с легкими полимерами, такими как пластмассы и эпоксидные смолы, крошечные трубки укрепляют материал, формируя легкий и прочный материал для самолетов, кораблей, автомобилей и даже спортивного оборудования.

Нитрид бора, так же как и углерод, может образовывать листы толщиной в один атом, которые скатываются в цилиндры для создания нанотрубок. Сами по себе нанотрубки из нитрида бора (BNNT) почти такие же прочные, как углеродные нанотрубки, но их преимущество при использовании в качестве наполнителя композиционного материала заключается в высокой адгезии к полимеру.

«Самое слабое звено в подобных нанокомпозитах – это поверхность между полимером и нанотрубкой,» – считают ученые.

Ученые разработали новый способ испытать на прочность связь нанотрубка-полимер. Они зажимали нанотрубки нитрида бора между двумя тонкими слоями полимера, причем некоторые из нанотрубок оставили торчащими. Затем к верхушкам некоторых торчащих прямо из полимера нанотрубок приваривали крошечную балку. Потом, прикладывая силу к балке, вытягивали нанотрубки из полимера.

Испытание на прочность связи нанотрубка-полимер. Экспериментальная установка показана схематично слева и фактическое изображение приведено справа.Credit: Changhong Ke/State University of New York at Binghamton

Исследователи обнаружили, что сила, необходимая для вырывания нанотрубки, сначала увеличивается с длиной нанотрубок, а потом стабилизируется. Такое поведение является признаком того, что связь между нанотрубками и полимером разрушается посредством образования трещины, которая затем распространяется.

Исследователи проверили два полимера: эпоксидный и поли(метилметакрилат) ПММА (материал, используемый для оргстекла). Они обнаружили, что связь эпоксидный полимер – нанотрубки нитрида бора была сильнее. Они также обнаружили, что для обоих полимеров прочность связи с нанотрубками нитрида бора была выше, чем с углеродными нанотрубками – на 35 процентов выше для ПММА и примерно на 20 процентов выше для эпоксидного полимера.

Нанотрубки нитрида бора также имеют дополнительные преимущества по сравнению с углеродными нанотрубками. Они более стабильны при высоких температурах и могут лучше усваивать нейтронное излучение, это полезные свойства в экстремальных условиях космического пространства. Кроме того, нанотрубки нитрида бора обладают пьезоэлектрическими свойствами, т.е. они могут генерировать электрический заряд при растяжении.

Основным недостатком нанотрубок нитрида бора является их стоимость. В настоящее время их стоимость составляет около $1000 за грамм, по сравнению с $10–20 за грамм для углеродных нанотрубок. Ученые надеются, что цена снизится, поскольку углеродные нанотрубки были такими же дорогими, когда они только появились.

Ученые считают, что нанотрубки нитрида бора – это будущее для создания полимерных композитов в аэрокосмической промышленности.

Источник: Xiaoming Chen, Liuyang Zhang, Cheol Park, Catharine C. Fay, Xianqiao Wang, Changhong Ke. Mechanical strength of boron nitride nanotube-polymer interfaces. Applied Physics Letters, 2015; 107 (25): 253105 DOI: 10.1063/1.4936755